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redis 基础-数据结构-字典

2020-07-29

字典定义:

字典(dictionary), 又名映射(map)或关联数组(associative array), 是一种抽象数据结构, 由一集键值对(key-value pairs)组成, 各个键值对的键各不相同, 程序可以添加新的键值对到字典中, 或者基于键进行查找、更新或删除等操作。

字典的主要用途有以下两个: 1.实现数据库键空间(key space)2.用作 Hash 类型键的底层实现之一,具体可以看redis 5大对象那篇文章。

字典的实现

Redis的字典使用哈希表作为底层实现,一个哈希表里面可以有多个哈希表节点,而每个哈希表节点就保存了字典中的一个键值对。

  • 哈希表

table属性是一个数组,数组中的每个元素都是一个指向dict.h/dictEntry结构的指针,每个dictEntry结构保存着一个键值对。size属性记录了哈希表的大小,也即是table数组的大小,而used属性则记录了哈希表目前已有节点(键值对)的数量。sizemask属性的值总是等于size-1,这个属性和哈希值一起决定一个键应该被放到table数组的哪个索引上面

一个大小为4的空哈希表:

  • 哈希表节点

哈希表节点使用dictEntry结构表示,每个dictEntry结构都保存着一个键值对。

next属性是指向另一个哈希表节点的指针,这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一次,以此来解决键冲突(collision)的问题

字典

type属性和privdata属性是针对不同类型的键值对,为创建多态字典而设置的:

  • type属性是一个指向dictType结构的指针,每个dictType结构保存了一簇用于操作特定类型键值对的函数,Redis会为用途不同的字典设置不同的类型特定函数。

  • 而privdata属性则保存了需要传给那些类型特定函数的可选参数。

ht属性是一个包含两个项的数组,数组中的每个项都是一个dictht哈希表,一般情况下,字典只使用ht[0]哈希表,ht[1]哈希表只会在对ht[0]哈希表进行rehash时使用

除了ht[1]之外,另一个和rehash有关的属性就是rehashidx,它记录了rehash目前的进度,如果目前没有在进行rehash,那么它的值为-1

哈希算法

当有新的键值对添加到字典中,需要根据key 算出对应的哈希值和索引值,然后再根据索引值,将包含新键值对的哈希表节点放到哈希表数组的指定索引上面

Redis计算哈希值和索引值的方法如下:

  • 举列:

我们要将一个键值对k0和v0添加到字典,先利用上面语句获取hash值,然后获取对应的索引值。

解决键冲突

当有两个或以上数量的键被分配到了哈希表数组的同一个索引上面时,我们称这些键发生了冲突(collision).

Redis的哈希表使用链地址法(separate chaining)来解决键冲突,每个哈希表节点都有一个next指针,多个哈希表节点可以用next指针构成一个单向链表,被分配到同一个索引上的多个节点可以用这个单向链表连接起来,这就解决了键冲突的问题。

rehash

扩展和收缩哈希表的工作可以通过执行rehash(重新散列)操作来完成,Redis对字典的哈希表执行rehash的步骤如下:

1)为字典的ht[1]哈希表分配空间,这个哈希表的空间大小取决于要执行的操作,以及ht[0]当前包含的键值对数量(也即是ht[0].used属性的值):

  • 如果执行的是扩展操作,那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used*2的2 n(2的n次方幂);

  • 如果执行的是收缩操作,那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2 n。

2)将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]上面:rehash指的是重新计算键的哈希值和索引值,然后将键值对放置到ht[1]哈希表的指定位置上。

3)当ht[0]包含的所有键值对都迁移到了ht[1]之后(ht[0]变为空表),释放ht[0],将ht[1]设置为ht[0],并在ht[1]新创建一个空白哈希表,为下一次rehash做准备。

执行rehash之前的字典

为字典的ht[1]哈希表分配空间

将ht[0]包含的四个键值对都rehash到ht[1]

释放ht[0],并将ht[1]设置为ht[0],然后为ht[1]分配一个空白哈希表

另一方面,当哈希表的负载因子小于0.1时,程序自动开始对哈希表执行收缩操作

渐进式rehash

背景:如果哈希表里保存的键值对数量不是四个,而是四百万、四千万甚至四亿个键值对,那么要一次性将这些键值对全部rehash到ht[1]的话,庞大的计算量可能会导致服务器在一段时间内停止服务。

为了避免rehash对服务器性能造成影响,服务器不是一次性将ht[0]里面的所有键值对全部rehash到ht[1],而是分多次、渐进式地将ht[0]里面的键值对慢慢地rehash到ht[1]。

以下是哈希表渐进式rehash的详细步骤:

  • 1)为ht[1]分配空间,让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表。

  • 2)在字典中维持一个索引计数器变量rehashidx,并将它的值设置为0,表示rehash工作正式开始。

  • 3)在rehash进行期间,每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时,程序除了执行指定的操作以外,还会顺带将ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有键值对rehash到ht[1],当rehash工作完成之后,程序将rehashidx属性的值增一。

  • 4)随着字典操作的不断执行,最终在某个时间点上,ht[0]的所有键值对都会被rehash至ht[1],这时程序将rehashidx属性的值设为-1,表示rehash操作已完成。渐进式rehash的好处在于它采取分而治之的方式,将rehash键值对所需的计算工作均摊到对字典的每个添加、删除、查找和更新操作上,从而避免了集中式rehash而带来的庞大计算量

在渐进式rehash执行期间,新添加到字典的键值对一律会被保存到ht[1]里面,而ht[0]则不再进行任何添加操作,这一措施保证了ht[0]包含的键值对数量会只减不增,并随着rehash操作的执行而最终变成空表。

字典API


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