【Redis】ziplist压缩列表

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压缩列表

压缩列表是列表和哈希表的底层实现之一：

  • 如果一个列表只有少量数据，并且数据类型是整数或者比较短的字符串，redis底层就会使用压缩列表实现。

  • 如果一个哈希表只有少量键值对，并且每个键值对的键和值数据类型是整数或者比较短的字符串，redis底层就会使用压缩列表实现。

Redis压缩列表是由连续的内存块组成的列表，主要包含以下内容：

  • zlbytes：记录压缩列表占用的总的字节数，占用4个字节（32bits）

  • zltail：记录压缩列表的起始位置到最后一个节点的字节数，假如知道压缩列表的起始地址，只需要假设zltail记录的偏移量即可定位到压缩列表中最后一个节点的位置，占用4个字节（32bits）

  • zllen：记录了压缩列表中节点的数量，占用2个字节（16bits）

  • entry：存储数据的节点，可以有多个

  • zlend：标记压缩列表的结尾，值为255，占用1个字节（8bits）

压缩列表的创建

列表在初始化的时候会计算需要分配的内存空间大小，然后进行内存分配，之后将内存空间的最后一个字节标记为列表结尾，内存空间的大小计算方式如下：

  1. 压缩列表头大小，包括zlbytes、zltail和zllen所占用的大小：32 bits * 2 + 16 bits

  2. 压缩列表结尾大小：8bits

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// 压缩列表头大小，包括zlbytes、zltail和zllen所占用的大小：32 bits * 2 + 16 bits
#define ZIPLIST_HEADER_SIZE     (sizeof(uint32_t)*2+sizeof(uint16_t))
// 压缩列表结尾大小：8bits
#define ZIPLIST_END_SIZE        (sizeof(uint8_t))
// 列表结尾标记
#define ZIP_END 255

unsigned char *ziplistNew(void) {
    // 计算需要分配的内存大小
    unsigned int bytes = ZIPLIST_HEADER_SIZE+ZIPLIST_END_SIZE;
    // 分配内存
    unsigned char *zl = zmalloc(bytes);
    ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(bytes);
    ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(ZIPLIST_HEADER_SIZE);
    ZIPLIST_LENGTH(zl) = 0;
    // 将内存空间的最后一个字节标记为列表结尾
    zl[bytes-1] = ZIP_END;
    return zl;
}

所以在创建之后，内存布局如下，此时压缩列表中还没有节点：

之后如果如果需要添加节点，会进行移动，为新节点的插入腾出空间，所以还是占用的连续的空间：

压缩列表节点

压缩列表的节点可以存储字符串或者整数类型的值，为了节省内存，它采用了变长的编码方式，压缩列表的节点的结构定义如下：

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typedef struct zlentry {
    unsigned int prevrawlensize; /* 前一个节点长度编码所需要的字节数*/
    unsigned int prevrawlen;     /* 前一个节点的长度（占用的字节数）*/
    unsigned int lensize;        /* 当前节点长度编码所需要的字节数*/
    unsigned int len;            /* 当前节点的长度（占用的字节数）*/
    unsigned int headersize;     /* header的大小，headersize = prevrawlensize + lensize. */
    unsigned char encoding;      /* 记录了数据的类型和数据长度 */
    unsigned char *p;            /* 指向数据的指针 */
} zlentry;

prevrawlen：存储前一个节点的长度（占用的字节数），这样如果从后向前遍历，只需要当前节点的起始地址减去长度的偏移量prevrawlen就可以定位到上一个节点的位置，prevrawlen的长度可以是1字节或者5字节：

  • 如果前一项节点的长度小于254字节，那么prevrawlen的长度是1字节。
  • 如果前一项节点的长度大于254字节，那么prevrawlen的长度是5字节，其中第一个字节会被设置为0xFE（十进制254），之后的四个字节用于保存前一个节点的长度。

为什么没有255字节？

因为255用来标记为压缩列表的结尾。

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/* 节点编码所需要的字节数 */
unsigned int zipStorePrevEntryLength(unsigned char *p, unsigned int len) {
    if (p == NULL) {
        return (len < ZIP_BIG_PREVLEN) ? 1 : sizeof(uint32_t) + 1;
    } else {
        // 判断长度是否小于254
        if (len < ZIP_BIG_PREVLEN) {
            p[0] = len;
            // 使用1个字节
            return 1;
        } else {
            return zipStorePrevEntryLengthLarge(p,len);
        }
    }
}

// 节点编码所需要的字节数
int zipStorePrevEntryLengthLarge(unsigned char *p, unsigned int len) {
    uint32_t u32;
    if (p != NULL) {
        // 将prevrawlen的第1个字节设置为254
        p[0] = ZIP_BIG_PREVLEN;
        u32 = len;
        memcpy(p+1,&u32,sizeof(u32));
        memrev32ifbe(p+1);
    }
    // 使用5个字节
    return 1 + sizeof(uint32_t);
}

encoding：记录了节点的数据类型和内容的长度，因为压缩列表可以存储字符串或者整型，所以有以下两种情况：

  1. 存储内容为字符串

    C语言存储字符串底层使用的是字节数组，当内容为字符串时分为三种情况，encoding分别占用1字节、2字节、5字节，encoding占用字节大小的不同，代表存储不同长度的字节数组。

编码 编码长度 数据类型
00xxxxxx 占用1个字节，也就是8bits 长度小于等于63(2^6 - 1)字节的字节数组
01xxxxxx xxxxxxxx 占用2个字节，也就是16bits 长度小于等于16383(2^14 - 1)字节的字节数组
10xxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx 占用5个字节，40bits 长度小于等于4294967295(2^32 - 1)字节的字节数组
  1. 存储内容为整数

存储内容为整数时，encoding占用1个字节，最高位是11开头，后六位代表整数值的长度，其中当编码为1111xxxx时情况比较特殊，

后四位的值在0001和1101之间，此时直接代表数据的内容，是0到12之间的一个数字，并不是数据长度，因为它代表了数据内容，所以也不需要额外的空间存储数据内容。

编码 编码长度 数据类型
11000000 1个字节 int16_t类型的整数
11010000 1个字节 uint32_t类型的整数
11100000 1个字节 uint64_t类型的整数
11110000 1个字节 24位有符号整数
11111110 1个字节 8位有符号整数
1111xxxx 1个字节 特殊情况，后四位的值在0001和1101之间，此时代表的是数据内容，并不是数据长度

zipStoreEntryEncoding

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// 节点编码所需字节数判断
unsigned int zipStoreEntryEncoding(unsigned char *p, unsigned char encoding, unsigned int rawlen) {
    unsigned char len = 1, buf[5];
    // 如果是字符串
    if (ZIP_IS_STR(encoding)) {
        /* 根据字符串的长度判断使用几个字节数 */
        if (rawlen <= 0x3f) { // 小于等于63字节
            if (!p) return len;
            buf[0] = ZIP_STR_06B | rawlen;
        } else if (rawlen <= 0x3fff) { // 小于等于16383字节
            len += 1; // 使用2个字节
            if (!p) return len;
            buf[0] = ZIP_STR_14B | ((rawlen >> 8) & 0x3f);
            buf[1] = rawlen & 0xff;
        } else { // 字符串长度大于16383字节
            len += 4; // 使用5个字节
            if (!p) return len;
            buf[0] = ZIP_STR_32B;
            buf[1] = (rawlen >> 24) & 0xff;
            buf[2] = (rawlen >> 16) & 0xff;
            buf[3] = (rawlen >> 8) & 0xff;
            buf[4] = rawlen & 0xff;
        }
    } else {
        // 如果是整数，使用1个字节
        if (!p) return len;
        buf[0] = encoding;
    }

    /* 保存长度 */
    memcpy(p,buf,len);
    return len;
}

节点的插入

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// 添加节点
// zl:指向压缩列表的指针
// s:数据内容
// slen：数据的长度
// where:在哪个位置添加
// 调用例子：zl = ziplistPush(zl, (unsigned char*)"foo", 3, ZIPLIST_TAIL);
unsigned char *ziplistPush(unsigned char *zl, unsigned char *s, unsigned int slen, int where) {
    unsigned char *p;
    // 判断是在头部或者尾部进行添加
    p = (where == ZIPLIST_HEAD) ? ZIPLIST_ENTRY_HEAD(zl) : ZIPLIST_ENTRY_END(zl);
    // 插入节点
    return __ziplistInsert(zl,p,s,slen);
}

// 插入节点
// zl:指向压缩列表的指针
// p:添加的位置
// s：数据内容
// slen：数据的长度
unsigned char *__ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen) {
    size_t curlen = intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl)), reqlen, newlen;
    unsigned int prevlensize, prevlen = 0;
    size_t offset;
    int nextdiff = 0;
    unsigned char encoding = 0;
    long long value = 123456789; 
    zlentry tail;

    // 判断要添加的位置是否是结尾处
    if (p[0] != ZIP_END) {// 如果不是尾部
        // 计算前一个节点的长度prevlen
        ZIP_DECODE_PREVLEN(p, prevlensize, prevlen);
    } else { // 如果是在尾部
        unsigned char *ptail = ZIPLIST_ENTRY_TAIL(zl);
        if (ptail[0] != ZIP_END) {
            // 计算前一个节点的长度
            prevlen = zipRawEntryLengthSafe(zl, curlen, ptail);
        }
    }
    // 判断节点是否可以被Encoding
    if (zipTryEncoding(s,slen,&value,&encoding)) {
        // 计算将字符串转换为整数后的长度
        reqlen = zipIntSize(encoding);
    } else {
        // 直接使用原始长度
        reqlen = slen;
    }
    
    // reqlen用来保存当前节点所占用的长度
    // 加上前一个节点编码所需要的字节数
    reqlen += zipStorePrevEntryLength(NULL,prevlen);
    // 加上当前节点编码所需要的字节数
    reqlen += zipStoreEntryEncoding(NULL,encoding,slen);

    /* 这里用于判断节点加入的时候，后面的节点prevrawlen的字节数是否可以满足要插入节点的长度*/
    int forcelarge = 0;
    nextdiff = (p[0] != ZIP_END) ? zipPrevLenByteDiff(p,reqlen) : 0;
    if (nextdiff == -4 && reqlen < 4) {
        nextdiff = 0;
        forcelarge = 1;
    }
    offset = p-zl;
    newlen = curlen+reqlen+nextdiff;
    // 调整压缩列表的长度
    zl = ziplistResize(zl,newlen);
    p = zl+offset;
    // 如果p不指向链表结尾，说明新加入的节点不是最后一个
    if (p[0] != ZIP_END) {
        /* 将p指向的节点和它之后的节点向后移动，为新节点腾出空间*/
        memmove(p+reqlen,p-nextdiff,curlen-offset-1+nextdiff);

        /* 当前节点的长度编码后存储到后一个节点的prevrawlen*/
        if (forcelarge)
            zipStorePrevEntryLengthLarge(p+reqlen,reqlen);
        else
            zipStorePrevEntryLength(p+reqlen,reqlen);

        /* 更新结尾的OFFSET */
        ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =
            intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+reqlen);
        assert(zipEntrySafe(zl, newlen, p+reqlen, &tail, 1));
        if (p[reqlen+tail.headersize+tail.len] != ZIP_END) {
            ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) =
                intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+nextdiff);
        }
    } else {
        /* 新加入的节点是列表的最后一个节点时 */
        ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(p-zl);
    }

    /* 这里判断是否需要连锁更新 */
    if (nextdiff != 0) {
        offset = p-zl;
        zl = __ziplistCascadeUpdate(zl,p+reqlen);
        p = zl+offset;
    }

    /* 插入节点*/
    p += zipStorePrevEntryLength(p,prevlen);
    p += zipStoreEntryEncoding(p,encoding,slen);
    if (ZIP_IS_STR(encoding)) {
        memcpy(p,s,slen);
    } else {
        zipSaveInteger(p,value,encoding);
    }
    // 修改压缩列表节点的数量
    ZIPLIST_INCR_LENGTH(zl,1);
    return zl;
}

连锁更新

因为压缩列表中每个节点记录了前一个节点的长度：

  • 如果前一项节点的长度小于254字节，那么prevrawlen的长度是1字节。
  • 如果前一项节点的长度大于254字节，那么prevrawlen的长度是5字节，其中第一个字节会被设置为0xFE（十进制154），之后的四个字节用于保存前一个节点的长度。

假设有一种情况，一个压缩列表中，存储了多个长度是253字节的节点，因为节点的长度都在254字节以内，所以每个节点的prevrawlen只需要1个字节去存储长度的值：

此时在列表的头部需要新增加一个节点，并且节点的长度大于254，这个时候原先的头结点entry1 prevrawlen使用1字节已经不能满足当前的情况了，必须要使用5字节存储，因此entry1的prevrawlen变成了5字节，entry1的长度也会跟着增加4个字节，已经超过了254字节，因为大于254就需要使用5个字节存储，所以entry2的prevrawlen也需要改变为5字节，后面的以此类推，引发了连锁更新，这种情况称之为连锁更新：

总结

（1）Redis压缩列表使用了一块连续的内存，来节约内存空间。

（2）压缩列表的节点可以存储字符串或者整数类型的值，它采用了变长的编码方式，根据数据类型的不同以及数据长度的不同，选择不同的编码方式，每种编码占用的字节大小不同，以此来节约内存。

（3）压缩列表的每个节点中存储了前一个节点的字节长度，如果知道某个节点的地址，可以使用地址减去字节长度定位到上一个节点，不过新增节点的时候，由于前一个节点的长度大于254使用5个字节，小于254使用1个字节存储，在一些极端的情况下由于长度的变化会引起连锁更新。

参考

黄健宏《Redis设计与实现》

极客时间 - Redis源码剖析与实战(蒋德钧)

【张铁蕾】Redis内部数据结构详解(4)——ziplist

【_HelloBug】Redis-压缩表-__ziplistInsert详解

图解Redis之数据结构篇——压缩列表

Redis版本：redis-6.2.5