Redis 資料結構簡單動態字串

redis 是基於 c 語言的記憶體資料庫，但是 redis 中並沒有使用 c 語言的字串（實質是以空格結尾的字元陣列）作為預設的字串，而是自己構建了一種名為簡單動態字串（****** dynamic string）的抽象資料結構，將其用作預設的字串表示。

通常而言，sds 在 redis 中被用於 1. 預設的字串結構；2. 用作緩衝區（buffer）。

我們首先看看 redis 是如何定義 sds 的，再看看為什麼要通過實現 sds 作為預設的字串實現。

在 redis 在sds.h/sdshrd定義了 sds 的結構體：

struct

下圖是乙個 sds 的示例：

len儲存了buf中儲存字串的實際長度

free是buf中剩餘空閒空間

在 c 語言中，獲取字串（也就是字元陣列）的長度，是乙個 o(n) 複雜度的操作。

sds 的len欄位令 redis 獲取字串長度的複雜度降為 o(1)（直接讀取len字段即可），這也確保了「獲取字串長度」這一行為，不會成為 redis 的效能瓶頸。

什麼是「緩衝區溢位」？

首先，我們需要知道的是，c 語言通過空字元\0判斷字串是否結束。

如下例，在記憶體中有下面兩個連續的 c 字串s1和s2，各自儲存了redis和str兩個字串：

c 在執行字串拼接函式strcat時，會假定呼叫者已經分配好了足夠的記憶體、直接在字串末尾新增對應字元。

即，如果我們在上圖情況下，執行strcat(s1, "01")，便會得到下圖的結果：

可以看到，s1雖然正常修改，但其資料溢位到s2所在的記憶體空間中，導致s2被意外修改了：s2變成了字串"1"。

這便是我們所說的緩衝區溢位。

sds 如何杜絕？

sds 通過它的空間分配策略杜絕「緩衝區溢位」這一現象。

當通過 sds 的 api 對乙個 sds 進行修改時，api 會按照下列步驟執行：

檢查 sds 的空間是否滿足要求

如果不滿足要求，api 會先對 sds自動進行擴容

執行實際的修改操作

前面提到，如果通過 api 對 sds 進行修改，api 會通過自動擴容來確保 sds 空間滿足要求；這是 sds 空間分配策略的一種，這裡我們仔細說一下 sds 具體的空間分配策略。

c 字串的空間分配

sds 的空間分配策略和 c 不同，對於 c 字串，其空間分配策略如下：

如果需要進行的是「縮短字串」，例如截斷操作 trim

可以看到，每次對 c 字串進行操作時，都需要進行記憶體重分配。

基於這個原因，sds 實現了自己的「空間分配策略」。

sds 的空間分配策略

對於每個 sds 結構，buf陣列長度和實際儲存的字串長度並不是相同的，準確地說，應該是len(buf)==len+free+1（buf陣列的空字元不在len和free計算中）。sds 基於free字段實現了「空間預分配」和「惰性空間釋放」兩種空間分配策略。

空間預分配

空間預分配用於優化字串的增長操作。

當 sds api 對 sds 字串進行增長時，不僅會為 sds 分配修改所需空間，還會基於 sds 字串的增長後的實際長度（也就是len）為 sds分配額外的空間。

如果增長後，sds 儲存的字串大於等於 1mb

如下圖，有 sds"redis"，我們對其順序執行兩次修改：

第一次追加字串"01"當前free為 1，小於字串"01"的長度，因此需要擴容，也就是進行記憶體重分配

因為追加後的len為 7，小於 1024，因此我們直接擴充未使用空間free到len的大小，也就是 7

第二次追加字串"02"當前free為 7，足夠追加字串"02"，因此無需擴容，直接追加即可

可以看到，通過這種「空間預分配」的策略，sds 將連續增長 n 次字串所需的記憶體分配次數從「必定 n 次」優化為「最多 n 次」。

惰性空間釋放

惰性空間釋放用於優化字串的縮短操作。

當 sds api 需要縮短 sds 儲存的字串時，程式不會像 c 一樣立即釋放被縮短的空間，而是僅增長free字段、並將空間保留至將來使用。

如下圖，我們縮短之前的 sds"redis0102"至"redis"：

這樣做的好處是，如果後續有對這個字串進行增長操作時，可以盡可能的減少擴容動作。

與此同時，sds 也提供了「主動釋放空閒記憶體」的 api，讓我們在有需要時讓這些空閒空間真正被釋放，防止記憶體浪費。

在 c 語言中，由於是用字元陣列實現的字串，安全性方面天然就帶有一些限制：

這也使得 c 語言的字串只能儲存文字資料，不能儲存、音訊等二進位制資料，也就是「二進位制不安全」。

而為什麼說 sds 是二進位制安全的呢？

因此，sds 是乙個「二進位制安全」的字串，它可以儲存任何形式的二進位制資料。

如前文「sds 的定義」一節中所說，sds 和 c 語言一樣，通過字元陣列儲存字串，且末尾有乙個空字元\0作為結尾。這樣儲存文字資料的 sds 就可以復用部分中的函式了。

最後再對 sds 做乙個總結。

sds 是 redis 在 c 字串基礎上實現的資料結構，用於 redis 中預設的字串表示，其結構體定義如下：

struct

相比於原生的 c 字串，sds 有如下的優點：

Redis 資料結構簡單動態字串

Redis資料結構 SDS（簡單動態字串）

Redis資料結構簡單的動態字串

Redis資料結構簡單動態字串SDS

Redis 資料結構 簡單動態字串

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Redis資料結構 簡單的動態字串

Redis資料結構 簡單動態字串SDS

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