redis 源码分析--字符串

简介

Redis虽然是由C语言实现的，但是Redis没有直接使用C语言传统的字符串表示，而是构建了一种名为简单动态字符串（simple dynamic string, SDS） 的抽象类型，并将SDS用作Redis的默认字符串表示。

SDS 定义

sds 和 sdshdr 在sds.h头文件中定义是这样的

/*
 * 最大预分配长度
 */
#define SDS_MAX_PREALLOC (1024*1024)


/*指向sdshdr中的buf*/
typedef char *sds;


struct sdshdr {
    
    // buf 中已占用空间的长度
    //等于SDS所保存字符串的长度
    int len;

    // 记录buf数组中未使用空间的长度 
    int free;

    // 字节数组，用于保存字符串
    char buf[];
};

sdshdr中的buf用了空数组而不是指针是因为空数组不占用空间（sizeof(struct sdshdr) == 8 ）而且方便管理内存的申请和释放。

下面我们看一下具体基本操作函数：

/*
 * 返回 sds 实际保存的字符串的长度
 *
 * T = O(1)
 */
static inline size_t sdslen(const sds s) {
    struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    return sh->len;
}

/*
 * 返回 sds 可用空间的长度
 *
 * T = O(1)
 */
static inline size_t sdsavail(const sds s) {
    struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    return sh->free;
}

/*
 * 根据给定的初始化字符串 init 和字符串长度 initlen
 * 创建一个新的 sds
 *
 * 参数
 *  init ：初始化字符串指针
 *  initlen ：初始化字符串的长度
 *
 * 返回值
 *  sds ：创建成功返回 sdshdr 相对应的 sds
 *        创建失败返回 NULL
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 */

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {

    struct sdshdr *sh;

    // 根据是否有初始化内容，选择适当的内存分配方式
    // T = O(N)
    if (init) {
        // zmalloc 不初始化所分配的内存
        sh = zmalloc(sizeof(struct sdshdr)+initlen+1);
    } else {
        // zcalloc 将分配的内存全部初始化为 0
        sh = zcalloc(sizeof(struct sdshdr)+initlen+1);
    }

    // 内存分配失败，返回
    if (sh == NULL) return NULL;

    // 设置初始化长度
    sh->len = initlen;
    // 新 sds 不预留任何空间
    sh->free = 0;
    // 如果有指定初始化内容，将它们复制到 sdshdr 的 buf 中
    // T = O(N)
    if (initlen && init)
        memcpy(sh->buf, init, initlen);
    // 以 \0 结尾
    sh->buf[initlen] = '\0';

    // 返回 buf 部分，而不是整个 sdshdr
    return (char*)sh->buf;
}

/*
 * 创建并返回一个只保存了空字符串 "" 的 sds
 *
 * 返回值
 *  sds ：创建成功返回 sdshdr 相对应的 sds
 *        创建失败返回 NULL
 *
 * 复杂度
 *  T = O(1)
 */
sds sdsempty(void) {
    return sdsnewlen("",0);
}


/*
 * 释放给定的 sds
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 */

void sdsfree(sds s) {
    if (s == NULL) return;
    zfree(s-sizeof(struct sdshdr));
}

/*
 * 在不释放 SDS 的字符串空间的情况下，
 * 重置 SDS 所保存的字符串为空字符串。
 *
 * 复杂度
 *  T = O(1)
 */
void sdsclear(sds s) {

    // 取出 sdshdr
    struct sdshdr *sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    // 重新计算属性
    sh->free += sh->len;
    sh->len = 0;

    // 将结束符放到最前面（相当于惰性地删除 buf 中的内容）
    sh->buf[0] = '\0';
}

/*
 * 对 sds 中 buf 的长度进行扩展，确保在函数执行之后，
 * buf 至少会有 addlen + 1 长度的空余空间
 * （额外的 1 字节是为 \0 准备的）
 *
 * 返回值
 *  sds ：扩展成功返回扩展后的 sds
 *        扩展失败返回 NULL
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 */
sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {

    struct sdshdr *sh, *newsh;

    // 获取 s 目前的空余空间长度
    size_t free = sdsavail(s);

    size_t len, newlen;

    // s 目前的空余空间已经足够，无须再进行扩展，直接返回
    if (free >= addlen) return s;

    // 获取 s 目前已占用空间的长度
    len = sdslen(s);
    sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    // s 最少需要的长度
    newlen = (len+addlen);

    // 根据新长度，为 s 分配新空间所需的大小
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
        // 如果新长度小于 SDS_MAX_PREALLOC 
        // 那么为它分配两倍于所需长度的空间
        newlen *= 2;
    else
        // 否则，分配长度为目前长度加上 SDS_MAX_PREALLOC
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;
    // T = O(N)
    newsh = zrealloc(sh, sizeof(struct sdshdr)+newlen+1);

    // 内存不足，分配失败，返回
    if (newsh == NULL) return NULL;

    // 更新 sds 的空余长度
    newsh->free = newlen - len;

    // 返回 sds
    return newsh->buf;
}

/*
 * 回收 sds 中的空闲空间，
 * 回收不会对 sds 中保存的字符串内容做任何修改。
 *
 * 返回值
 *  sds ：内存调整后的 sds
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 */

sds sdsRemoveFreeSpace(sds s) {
    struct sdshdr *sh;

    sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    // 进行内存重分配，让 buf 的长度仅仅足够保存字符串内容
    // T = O(N)
    sh = zrealloc(sh, sizeof(struct sdshdr)+sh->len+1);

    // 空余空间为 0
    sh->free = 0;

    return sh->buf;
}

/*
 * 返回给定 sds 分配的内存字节数
 *
 * 复杂度
 *  T = O(1)
 */

size_t sdsAllocSize(sds s) {
    struct sdshdr *sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    return sizeof(*sh)+sh->len+sh->free+1;
}

/*
 * 将 sds 扩充至指定长度，未使用的空间以 0 字节填充。
 *
 * 返回值
 *  sds ：扩充成功返回新 sds ，失败返回 NULL
 *
 * 复杂度：
 *  T = O(N)
 */
sds sdsgrowzero(sds s, size_t len) {
    struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    size_t totlen, curlen = sh->len;

    // 如果 len 比字符串的现有长度小，
    // 那么直接返回，不做动作
    if (len <= curlen) return s;

    // 扩展 sds
    // T = O(N)
    s = sdsMakeRoomFor(s,len-curlen);
    // 如果内存不足，直接返回
    if (s == NULL) return NULL;

    /* Make sure added region doesn't contain garbage */
    // 将新分配的空间用 0 填充，防止出现垃圾内容
    // T = O(N)
    sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    memset(s+curlen,0,(len-curlen+1)); /* also set trailing \0 byte */

    // 更新属性
    totlen = sh->len+sh->free;
    sh->len = len;
    sh->free = totlen-sh->len;

    // 返回新的 sds
    return s;
}

/*
 * 将长度为 len 的字符串 t 追加到 sds 的字符串末尾
 *
 * 返回值
 *  sds ：追加成功返回新 sds ，失败返回 NULL
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 */

sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len) {
    
    struct sdshdr *sh;
    
    // 原有字符串长度
    size_t curlen = sdslen(s);

    // 扩展 sds 空间
    // T = O(N)
    s = sdsMakeRoomFor(s,len);

    // 内存不足？直接返回
    if (s == NULL) return NULL;

    // 复制 t 中的内容到字符串后部
    // T = O(N)
    sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
    memcpy(s+curlen, t, len);

    // 更新属性
    sh->len = curlen+len;
    sh->free = sh->free-len;

    // 添加新结尾符号
    s[curlen+len] = '\0';

    // 返回新 sds
    return s;
}

/*
 * 将给定字符串 t 追加到 sds 的末尾
 * 
 * 返回值
 *  sds ：追加成功返回新 sds ，失败返回 NULL
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 */
sds sdscat(sds s, const char *t) {
    return sdscatlen(s, t, strlen(t));
}


/*
 * 将另一个 sds 追加到一个 sds 的末尾
 * 
 * 返回值
 *  sds ：追加成功返回新 sds ，失败返回 NULL
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 */

sds sdscatsds(sds s, const sds t) {
    return sdscatlen(s, t, sdslen(t));
}

/*
 * 将字符串 t 的前 len 个字符复制到 sds s 当中，
 * 并在字符串的最后添加终结符。
 *
 * 如果 sds 的长度少于 len 个字符，那么扩展 sds
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 *
 * 返回值
 *  sds ：复制成功返回新的 sds ，否则返回 NULL
 */

sds sdscpylen(sds s, const char *t, size_t len) {

    struct sdshdr *sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));

    // sds 现有 buf 的长度
    size_t totlen = sh->free+sh->len;

    // 如果 s 的 buf 长度不满足 len ，那么扩展它
    if (totlen < len) {
        // T = O(N)
        s = sdsMakeRoomFor(s,len-sh->len);
        if (s == NULL) return NULL;
        sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
        totlen = sh->free+sh->len;
    }

    // 复制内容
    // T = O(N)
    memcpy(s, t, len);

    // 添加终结符号
    s[len] = '\0';

    // 更新属性
    sh->len = len;
    sh->free = totlen-len;

    // 返回新的 sds
    return s;
}

/*
 * 将字符串复制到 sds 当中，
 * 覆盖原有的字符。
 *
 * 如果 sds 的长度少于字符串的长度，那么扩展 sds 。
 *
 * 复杂度
 *  T = O(N)
 *
 * 返回值
 *  sds ：复制成功返回新的 sds ，否则返回 NULL
 */

sds sdscpy(sds s, const char *t) {
    return sdscpylen(s, t, strlen(t));
}

SDS的优点：

1、空间预分配

当SDS的API对一SDS进行修改，并且需要对SDS进行空间扩展的时候，程序不仅会为SDS分配修改所必须的空间，还会为SDS分配额外的未使用空间。

如果对SDS进行修改之后，SDS的长度（也就是len属性的值）将小于1MB，那么程序分配和len属性同样大小的未使用空间，这是SDSlen属性的值将和free属性的值相同。如果程序修改之后SDS的len将变成13字节，那么程序也会分配13字节的未使用空间，SDS的buf数组的实际长度将变成13+13+1 = 27字节（额外的1字节用于保存空字符）。
如果对SDS进行修改之后，SDS的长度（也就是len属性的值）将大于等于1MB，那么程序会分配1MB的未使用空间。举个例子如果修改之后SDS的len的值为30MB，那么程序会分配1MB的未使用空间，SDS的buf数组的实际长度将变成30MB+30MB+1byte 。

2、惰性空间释放

惰性空间释放用于优化SDS的字符串缩短操作：当SDS的API需要缩短SDS保存的字符串时，程序并不立即使用内存重分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用free属性将这些字节的数量记录起来，并等待将来使用。

3、二进制安全

SDS不仅可以保存文本数据，还可以保存任意格式的二进制数据，因为SDS使用len属性的值而不是空字符来判断字符串是否结束。

具体函数可以阅读redis源码src\sds.c部分，源码下载链接

https://download.csdn.net/download/u014608280/12234598

参考：《redis设计与实现》

redis 源码分析--字符串

简介

SDS 定义

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