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Redis 原理初探（一）—— 字符串

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本文字数： 1.9k 阅读时长 ≈ 2 分钟

简单动态字符串（simple dynamic string，SDS）

定义

  • redis 的默认字符表示，作为一个可被修改的字符串值

  • 作为字符串的底层实现

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struct sdshdr
{
    /* data */
    int len;    -- 数组已使用字节数量
    int free;   -- 数组未使用字节数量
    char buf[]; -- 字节数组
};

注：buf [] 的最后一个字节会用于保存空字符’\0’(同 C style)

使用 SDS 而非 C style 字符串的好处

获取字符串长度不为性能瓶颈

  • 由定义可知，SDS 的结构体中已经保存了数组的长度（len），从而只需使用 STRLEN () 获取值，其对应算法复杂度始终仅为 O (1)；C 字符串由于没有保存该信息，则需要对数组进行遍历得到长度，其算法复杂度为 O (n)

API 安全，排除了缓冲区溢出的风险

  • 对于 C 字符串而言，缓冲区容易溢出其实是不记录数组长度的衍生问题。如考虑下述场景：

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char *strcat(char *c1, const char *c2);

​ strcat () 方法会假定系统尚且分配了足够的内存给 c1，以容纳 c2 中的所有内容；而 c2 数组长度过长且超出内存限制时，就造成了缓冲区的溢出。这可能会给相邻内存的内容带来意外的后果（如：未指定的意外修改，etc.）

​ 而 SDS 的 API 会自动对 len 进行修改和更新；当当前空间不能满足要求时，则会自动扩展当前 SDS 的空间。对应 redis 中字符串拼接方法为：

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sdscat(c1, c2);

是二进制安全的

​ 既可存储文本数据、也可存储二进制数据

兼容部分 C style 字符串

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// string compare
strcasecmp(c1->c2, "hello world");

用途

  • 作为数据库中字符串值、整数值和浮点数值的存储

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RPUSH fruits "apple" "banana" "cherry"
-- output：(integer) 3

  • 作为缓冲区（buffer）

空间分配策略

目的

​ 减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数

  • 策略 1：空间预分配

    • 当未使用空间足够时，无需进行内存重分配，即没有对字符串进行修改
    • 若修改后的字符串长度小于 1MB，将分配与当前数组已使用长度等长的未使用空间
    • 若修改后的字符串长度大于 1MB，将分配 1MB 的未使用空间

  • 策略 2：惰性空间释放

    • 当空间被释放成为空余空间后，并不会立即对其进行回收，而是先由 free 属性记录下来
    • 避免了缩短字符串时所需的内存重分配操作，并为将来可能有的增长操作提供了优化
    • 当有实际空间需要时，会通过对应 API 真正完成空余空间的释放

字符串操作

自增 / 自减

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import redis

# 获取连接
conn = redis.Redis()
# 获取对应key:只要该字符串值可以被解释为整数值，则可进行下述处理

conn.get('sample_key')
# 对该key进行自增操作 incr = short for increase
conn.incr('sample_key')
# 也可以以数字形式指定自增参数，下两者效果相同
# INCRBY sample_key 10
conn.incr('sample_key', 10)

# 对该key进行自减操作 decr = short for decrease
# DECRBY sample_key 8
conn.decr('sample_key', 8)

# 二次获取当前的数值
conn.get('sample_key')

打包 (package) 处理结构化数据

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import redis
# 建立连接
conn = redis.Redis(host='127.0.0.1', port=6379, password='123456')
# 执行APPEND命令：返回的是当前字符串的长度
# 此时前者可不存在或为空串，则得到的新字符串长度显然为后者的长
conn.append('sample_string', 'hello ')
conn.append('sample_string', 'world!')
# 操作后sample_string的长度：12

# SUBSTR：获取字符串子串（部分区间值）
# redis数组索引也是从0开始，则取得的值为llo
conn.substr('sample_string', 2, 4)

# SETRANGE：为字符串设置范围
# 设置后仅改变输出的字符串内容
# 字符串长度仍为总长度，而非处理后的范围长度
conn.setrange('sample_string', 0, 'H')

# SETBIT：单独改变某二进制位

【参考】
[1] 《Redis 的设计与实现》

[2] 《Redis 实战》

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