添加ziplist (#15)
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9d96f2af2e
commit
1125276577
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@ -1 +1,2 @@
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*.backup
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*.html
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@ -1,11 +1,11 @@
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## 简介
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# 简介
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压缩列表ziplist本质上就是一个字节数组，是Redis为了节约内存而设计的一种线性数据结构，可以包含多个元素，每个元素可以是一个字节数组或一个整数。
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Redis的有序集合、散列和列表都直接或者间接使用了压缩列表。当有序集合或散列表的元素个数比较少，且元素都是短字符串时，Redis便使用压缩列表作为其底层数据存储结构。列表使用快速链表（quicklist）数据结构存储，而快速链表就是双向链表与压缩列表的组合。
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ziplist 压缩列表是一个特殊编码的双端链表（内存上连续），为了尽可能节省内存而设计的。ziplist 可以存储字符串或者整数值，其中整数被编码保存为实际的整数，而不是字符数组。ziplist 支持 O(1) 的时间复杂度在列表的两端进行 push 和 pop 操作。然而因为这些操作都需要对整个 ziplist 进行内存重分配（因为是一块连续的内存），所以操作的实际复杂度和 ziplist 占用的内存大小有关。在 7.0 版本里，ziplist 已经全面被 listpack 替换了（主要是因为连锁更新较影响性能）
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## 压缩列表的存储结构
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# 压缩列表的存储结构
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Redis使用字节数组表示一个压缩列表，压缩列表结构如下所示：
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@ -21,7 +21,7 @@ Redis使用字节数组表示一个压缩列表，压缩列表结构如下所示
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- entryX：压缩列表存储的元素，可以是字节数组或者整数，长度不限。entry的编码结构将在后面详细介绍。
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- zlend： 是一个 8 位无符号整数（1 byte），是一个特殊的标志位来标记压缩列表的结尾，0xFF(十进制表示为: 255)。其它正常节点不会有以这个字节开头的，在遍历 ziplist 的时候通过这个标记来判断是否遍历结束。
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### 元素的存储结构
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## 元素的存储结构
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压缩列表元素的存储结构如下所示：
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```
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@ -83,7 +83,7 @@ Redis 常见的encoding：
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#define ZIP_INT_8B 0xfe
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```
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## 解码结构体
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# 解码结构体
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对于压缩列表中的任意元素，获取前一个元素的长度、判断存储的数据类型、获取数据内容等都需要经过复杂的解码运算。解码后的结果应该被缓存起来，为此定义了结构体zlentry，用于表示解码后的压缩列表元素，单纯的用来临时存储解码之后的元素信息。
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```c
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@ -120,7 +120,7 @@ static inline void zipEntry(unsigned char *p, zlentry *e) {
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解码主要分为下面几个步骤：
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### 解码前节点长度
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## 解码前节点长度
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根据 p 目前的指针，获取 entry 的 prevlen 的值；
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- 如果prevlen一个字节编码，对应字节 (ptr)[0] 的值就是 prevlen。
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- 如果prevlen五个字节编码，具体的 prevlen 是存储在后四个字节，后四个字节进行位运算获得实际的 prevlen
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@ -149,9 +149,147 @@ static inline void zipEntry(unsigned char *p, zlentry *e) {
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} while(0)
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```
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### 解码encoding
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## 解码encoding
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p+prevrawlensize 位置的第一个字节，获取 entry 当前的 encoding 属性，保存在 encoding 变量中时间复杂度 O(1)。
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```c
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#define ZIP_ENTRY_ENCODING(ptr, encoding) do { \
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(encoding) = ((ptr)[0]); \
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if ((encoding) < ZIP_STR_MASK) (encoding) &= ZIP_STR_MASK; \
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} while(0)
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```
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## 解码长度
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p+prevrawlensize 根据 encoding 获取 entry 的 len 相关属性。 `ptr[0]<11000000`说明是字节数组，前两个比特为字节数组编码类型
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> 进制转换：echo "ibase=16;obase=2;C0" | bc
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>
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```c
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#define ZIP_DECODE_LENGTH(ptr, encoding, lensize, len) do { \
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if ((encoding) < ZIP_STR_MASK) { \
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if ((encoding) == ZIP_STR_06B) { \
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(lensize) = 1; \
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(len) = (ptr)[0] & 0x3f; \
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} else if ((encoding) == ZIP_STR_14B) { \
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(lensize) = 2; \
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(len) = (((ptr)[0] & 0x3f) << 8) | (ptr)[1]; \
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} else if ((encoding) == ZIP_STR_32B) { \
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(lensize) = 5; \
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(len) = ((uint32_t)(ptr)[1] << 24) | \
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((uint32_t)(ptr)[2] << 16) | \
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((uint32_t)(ptr)[3] << 8) | \
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((uint32_t)(ptr)[4]); \
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} else { \
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(lensize) = 0; \
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(len) = 0; \
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} \
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} else { \
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(lensize) = 1; \
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if ((encoding) == ZIP_INT_8B) (len) = 1; \
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else if ((encoding) == ZIP_INT_16B) (len) = 2; \
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else if ((encoding) == ZIP_INT_24B) (len) = 3; \
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else if ((encoding) == ZIP_INT_32B) (len) = 4; \
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else if ((encoding) == ZIP_INT_64B) (len) = 8; \
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else if (encoding >= ZIP_INT_IMM_MIN && encoding <= ZIP_INT_IMM_MAX) \
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(len) = 0; \
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else \
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(lensize) = (len) = 0; \
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} \
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} while(0)
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```
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# 基本操作
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主要介绍压缩列表的基本操作，包括创建压缩列表，遍历元素，插入元素，删除元素，修改元素等。
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## 创建压缩列表
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创建一个空的压缩列表:只对 `lbytes、zltail、zllen、zlend`四个字段进行初始化。初始化过程如下：
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- 计算空ziplist的长度并且申请内存，`zlbytes`和`zltail`的类型是32位无符号整数，`zllen`是16位无符号整数，所以总长度为：`zlbytes(4) + zltail(4) + zllen(2) = 10 bytes`
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- 将总字节数写入内存。zl 既为 ziplist 的起始地址，其中值又负责记录 ziplist 的总字节长度，zlbytes 编码存储固定 4 字节，也就代表了一个 ziplist 总字节最大为为 (2^32)-1 字节。
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- 将到尾节点的偏移量写进内存，因为是刚初始化的 ziplist，偏移量其实就是 HEADER_SIZE 值，此时它刚好指向 zlend，因此能够以 O(1) 时间复杂度快速在尾部进行 push 或 pop 操作。
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- 写入节点数量：0
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- 最后一个字节设置为 ZIP_END，标识 ziplist 结尾。
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实现代码如下：
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```c
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unsigned char *ziplistNew(void) {
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unsigned int bytes = ZIPLIST_HEADER_SIZE+ZIPLIST_END_SIZE;
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unsigned char *zl = zmalloc(bytes);
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ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(bytes);
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ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(ZIPLIST_HEADER_SIZE);
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ZIPLIST_LENGTH(zl) = 0;
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zl[bytes-1] = ZIP_END;
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return zl;
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}
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```
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## 插入元素
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压缩列表实现函数如下,其中：
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- zl：压缩列表。
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- p: 元素插入位置
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- s: 插入元素内容
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- slen: 元素数据长度。
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```c
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unsigned char *__ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen)
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插入元素可以简要分为3个步骤：① 将元素内容编码；② 重新分配空间；③ 复制数据。
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### 解码长度
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### 编码
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编码就是计算前节点的prelen字段，encoding字段和content字段的内容。计算prelen的前提条件就是明确元素的插入位置。
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元素的插入位置主要包含两种场景：
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- 元素插入到中间位置。
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- 元素插入到末尾。
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#### 场景一：元素插入到中间位置
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当插入到ziplist的中间节点时,解码插入节点`p`的prevlen（函数`ZIP_DECODE_PREVLEN`）。
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#### 场景二：元素插入到末尾
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当插入到ziplist的尾部时，通过zltail计算出ziplist的最后一个节点，再计算prevlen。首先我们应当获取最后一个节点。
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可以通过zltail获取最后一个节点的内容。zl偏移zltail的偏移量就可以获取最后一个节点的指针。
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```c
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#define ZIPLIST_ENTRY_TAIL(zl) ((zl)+intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl)))
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取出最后一个节点的长度，作为新插入节点`p`的`prevlen`,最后一个节点的prevlen是节点headersize和将节点内容长度之和。
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```c
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static inline unsigned int zipRawEntryLengthSafe(unsigned char* zl, size_t zlbytes, unsigned char *p) {
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zlentry e;
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assert(zipEntrySafe(zl, zlbytes, p, &e, 0));
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return e.headersize + e.len;
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}
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#### 元素编码
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编码时尝试将输入字符串转为整数：若可以转为整数，则按照压缩列表整数类型编码存储，reqlen根据encoding确定保存节点值需要的字节数；
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若不可以转为整数，则按照字节数组方式存储，reqlen为字符串的长度。
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reqlen字段为存储当前元素需要的空间大小，所以由prevlen占用空间、当前节点的encoding和length、当前节点值占用的空间三部分之和构成。
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计算公式：`reqlen = prevlenSize + encodingSize + dataSize`
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```c
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if (zipTryEncoding(s,slen,&value,&encoding)) {
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reqlen = zipIntSize(encoding);
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} else {
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reqlen = slen;
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}
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reqlen += zipStorePrevEntryLength(NULL,prevlen);
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reqlen += zipStoreEntryEncoding(NULL,encoding,slen);
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### 重新分配空间
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当向ziplist中插入数据时，空间变化下面几种可能：
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## 删除元素
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## 遍历元素
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