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大家好#xff01;今天我们来聊聊Redis中最基础也最常用的数据类型——string。就像我们日常生活中使用的记事本一样#xff0c;Redis的string类型可以记录各种信息#xff0c;从简单的hello world到复杂的JSON数据#xff0c;甚…Redis的string的底层实现原理
大家好今天我们来聊聊Redis中最基础也最常用的数据类型——string。就像我们日常生活中使用的记事本一样Redis的string类型可以记录各种信息从简单的hello world到复杂的JSON数据甚至是二进制数据。但你知道吗
这个看似简单的string类型在Redis内部却有着精妙的设计和实现。
在实际工作中我们经常会遇到这样的场景
需要缓存用户信息、存储配置项或者记录计数器。
这时候Redis的string类型就是我们的首选。但为什么它能如此高效为什么它能支持如此多样的操作让我们一起来揭开Redis string底层实现的神秘面纱。 一、Redis string的执行流程
理解了Redis string的重要性后我们来看它的执行流程。就像快递员送包裹一样Redis处理string操作也有一套完整的流程。
当我们向Redis发送一个SET命令时整个过程大致如下
客户端发送命令到Redis服务器服务器解析命令并验证参数根据value的长度和内容选择合适的内部编码分配内存并存储数据返回操作结果给客户端 这个流程看似简单但其中第三步选择合适的内部编码尤为关键。Redis会根据value的不同特性选择最节省内存、最高效的存储方式。这就像我们整理衣柜时会根据衣服的类型选择不同的收纳方式一样。
二、Redis string的技术原理
了解了执行流程后我们深入探讨Redis string的技术原理。Redis string的底层实现并不是简单的C语言字符串而是采用了多种编码方式以适应不同场景。
Redis string主要使用三种编码方式
int用于存储整数值embstr用于存储短字符串raw用于存储长字符串
这种多编码的设计理念就像我们工具箱中的不同工具针对不同任务选择最合适的工具以达到最高效的工作效果。 1. int编码
当存储的值是一个整数时Redis会使用int编码。这种编码方式直接将数值存储在指针位置不需要额外的内存分配非常高效。
SET counter 100
OBJECT ENCODING counter // 输出int上述代码展示了如何设置一个整数值并查看其编码类型。int编码的优势在于
内存占用极小计算操作如INCR非常高效不需要额外的内存分配
2. embstr编码
对于长度小于等于44字节的字符串Redis会使用embstr编码。这种编码方式将RedisObject和实际数据存储在连续的内存空间中。
SET short_str hello
OBJECT ENCODING short_str // 输出embstrembstr编码的特点
内存分配一次完成效率高数据局部性好缓存命中率高适合短字符串存储
3. raw编码
当字符串长度超过44字节时Redis会使用raw编码。这种编码方式将RedisObject和实际数据分开存储。
SET long_str This is a very long string that exceeds 44 bytes...
OBJECT ENCODING long_str // 输出rawraw编码虽然需要两次内存分配但对于大字符串来说更加灵活
可以处理任意长度的字符串修改操作更加高效不需要重新分配整个结构适合大文本或二进制数据
**注意**44字节这个阈值在不同Redis版本中可能会有所变化它是根据Redis内存分配策略和CPU缓存行大小等因素综合确定的。
三、原理详细解释
现在我们已经了解了Redis string的三种编码方式让我们更深入地看看它们是如何工作的。
1. RedisObject结构
Redis中的所有数据都是以RedisObject的形式存储的。这个结构体包含了数据的类型、编码方式、实际数据指针等信息。
typedef struct redisObject {unsigned type:4; // 数据类型如string/list等unsigned encoding:4; // 编码方式如int/embstr/raw等unsigned lru:24; // LRU时间或LFU计数int refcount; // 引用计数void *ptr; // 指向实际数据的指针
} robj;上述代码展示了RedisObject的结构定义。对于string类型ptr字段会根据不同的编码方式存储不同的内容
int编码ptr直接存储整数值embstr编码ptr指向连续内存中的字符串部分raw编码ptr指向独立的字符串内存 RedisObject和key的关系
Key 是 RedisObject 的访问入口
Redis 的 key 是一个字符串如 “name”它通过 全局哈希表Key Space 映射到对应的 RedisObject。每个数据库默认 16 个都有一个独立的 Key Space存储 key - RedisObject 的映射关系。 当你执行 GET name 时Redis 会在 Key Space 中查找 “name” 对应的 RedisObject。根据 RedisObject 的 type 和 encoding 解码出实际值。
Key 本身也是 RedisObject
虽然 key 在逻辑上是一个字符串但 Redis 内部同样会用 RedisObject 结构存储 key。不过 key 的 RedisObject 的 type 固定为 REDIS_STRING即使 key 看起来像其他类型如 “user:1000”。
数据类型由 RedisObject 决定
当为 key 设置过期时间如 EXPIRE name 60时Redis 会在过期字典中记录 key - 过期时间但实际数据仍通过 RedisObject 存储。删除 key如 DEL name会释放对应的 RedisObject 内存。
2. 内存分配策略
Redis在内存分配上做了很多优化特别是对于string类型。让我们看看不同编码的内存分配方式
int编码 不需要额外的内存分配整数值直接存储在ptr中利用指针的高位存储数据。
embstr编码 一次性分配连续内存包含RedisObject和字符串数据。这种方式的优点是
减少内存碎片提高缓存局部性减少内存分配次数
raw编码 分两次分配内存先分配RedisObject再分配字符串数据。这种方式虽然分配次数多但对于大字符串更灵活。
3. 编码转换
Redis string的编码不是一成不变的在某些情况下会发生自动转换
当对int编码的string执行APPEND操作时会转换为raw编码当对int编码的string存储的值超出long范围时会转换为embstr或raw编码当对embstr编码的string修改时会转换为raw编码
SET num 100 // int编码
APPEND num abc // 转换为raw编码
OBJECT ENCODING num // 输出raw上述代码展示了编码转换的过程。这种自动转换机制确保了数据始终以最合适的方式存储。
四、性能优化建议
了解了Redis string的底层原理后我们可以根据这些知识来优化我们的使用方式
尽量使用整数对于计数器等场景使用整数可以获得最佳性能控制字符串长度尽量将字符串控制在44字节以内可以利用embstr编码的优势避免频繁修改embstr每次修改都会导致编码转换影响性能合理使用批量操作如MSET/MGET可以减少网络往返时间注意大字符串的内存占用大字符串不仅占用内存多还可能引发内存碎片
经验分享 在实际项目中我发现很多性能问题都源于不了解Redis的内部实现。比如有一个计数器场景最初使用字符串存储数字后来改为整数存储后性能提升了近10倍。建议大家多了解底层原理这样才能做出最优的设计决策。
五、总结
通过今天的探讨我们对Redis string的底层实现有了深入的理解。Redis通过多种编码方式(int/embstr/raw)的灵活运用在内存使用和性能之间取得了很好的平衡。
记住了解这些底层原理不仅能帮助我们更好地使用Redis还能在遇到性能问题时快速定位原因。就像了解汽车发动机原理的老司机总能更好地驾驭自己的爱车。
本文目录总结
Redis string的执行流程从命令接收到数据存储的完整过程Redis string的技术原理三种编码方式(int/embstr/raw)及其适用场景原理详细解释RedisObject结构、内存分配策略和编码转换机制性能优化建议基于底层原理的实际应用技巧
希望通过这篇文章大家对Redis string有了更深入的认识。在实际工作中遇到相关问题不妨回想一下这些底层原理可能会给你新的启发。
欢迎大家在评论区分享自己的Redis使用经验我们一起学习共同进步
