研究Redis源码之SDS（redis源码sds）

研究Redis源码之SDS

Redis是一个非常流行的Key-Value存储系统，被广泛应用于Web应用程序的缓存、排行榜、消息队列等场景中。Redis的出色之处不仅在于其高性能、高可用性和数据持久化的能力，还在于其代码易读易懂、可扩展性强。

本文将重点介绍Redis中的一种数据类型——SDS（Simple Dynamic String）的实现原理和优势。

SDS是Redis的字符串类型的底层实现结构，它在Redis中被广泛使用，例如作为字符串键的值、作为列表的元素、保存Redis服务器的配置选项等等。SDS具有以下特点：

1. 常数复杂度的获取字符串长度、追加字符串等操作。

2. 二进制安全，可包含任何数据，包括空字符。

3. 内部实现不依赖于C语言的字符串，可以在SDS中保存未必是以null结尾的数据。

4. 兼容部分C字符串函数。

接下来我们来看看SDS的实现原理。

SDS源码结构：

“`c

struct sdshdr {

int len;

int free;

char buf[];

};

其中，len字段表示已使用的字符数，free字段表示空闲的字符数。buf即SDS存储字符串字符的地方，是一个柔性数组，这种方式允许buf从与sdshdr结构体的末尾相邻的内存开始，确保了空间的连续性。

SDS的实现：

我们来看看如何在代码层次上实现SDS数据类型。

```c
#include 
#include 
#include 
#define SDS_HEADER_SIZE sizeof(struct sdshdr)
#define SDS_INITIAL_LENGTH 4
struct sdshdr {
    int len;     // 记录当前字符串长度
    int free;    // 记录当前字符串可用空间
    char buf[];  // 空数组，用于存储字符串
};

// 声明 SDS 相关函数
int sdslen(const char *s);
int sdsavlable(const char *s);
char *sdsdup(const char *s);
char *sdscat(char *s, const char *t);
void sdsclear(char *s);
// T = O(N+P)
char *sdsgrowzero(char *s, int len) {
    int curlen = sdslen(s);
    if (len 
    s = (char*)realloc(s, SDS_HEADER_SIZE + len + 1 - curlen);
    // 在内存分配失败或越界时，realloc 函数会返回 NULL
    if (s == NULL) return NULL;
    memset(s + curlen, 0, (len + 1 - curlen));
    ((struct sdshdr*)s)->free = len - curlen;
    return s;
}

// T = O(N)
char *sdsnewlen(const char *init, size_t initlen) {
    struct sdshdr *sh;
    sh = (struct sdshdr*)malloc(SDS_HEADER_SIZE + initlen + 1);
    if (sh == NULL) return NULL;
    sh->len = initlen;
    sh->free = 0;
    if (initlen && init)
        memcpy(sh->buf, init, initlen);
    sh->buf[initlen] = '\0';
    return (char*)sh->buf;
}
// T = O(N)
char *sdsnew(const char *init) {
    int initlen = (init == NULL) ? 0 : strlen(init);
    return sdsnewlen(init, initlen);
}

// T = O(1)
void sdsfree(char *s) {
    if (s == NULL) return;
    free(s - SDS_HEADER_SIZE);
}

// T = O(N)
char *sdsdup(const char *s) {
    return sdsnewlen(s, sdslen(s));
}
// T = O(N)
int sdslen(const char *s) {
    struct sdshdr *sh = (struct sdshdr*)(s - SDS_HEADER_SIZE);
    return sh->len;
}

// T = O(N)
int sdsavlable(const char *s) {
    struct sdshdr *sh = (struct sdshdr*)(s - SDS_HEADER_SIZE);
    return sh->free;
}

// T = O(N)
void sdsclear(char *s) {
    struct sdshdr *sh = (struct sdshdr*)(s - SDS_HEADER_SIZE);
    memset(s, 0, sh->len + 1);
    sh->len = 0;
    sh->free = 0;
}

// 借助 sdscatlen 函数实现 sdscat 函数
char *sdscatlen(char *s, const char *t, size_t len) {
    struct sdshdr *sh;
    int curlen = sdslen(s);
    s = sdsgrowzero(s, curlen + len);
    // 在内存分配失败或越界时，sdsgrowzero 函数会返回 NULL
    if (s == NULL) return NULL;
    sh = (struct sdshdr*)(s - SDS_HEADER_SIZE);
    memcpy(s + curlen, t, len);
    sh->len = curlen + len;
    sh->free = sh->free - len;
    s[curlen + len] = '\0';
    return s;
}
// T = O(N)
char *sdscat(char *s, const char *t) {
    return sdscatlen(s, t, strlen(t));
}

SDS实现方式：

1. 动态扩展

SDS的实现通过动态扩展的方式，将空间占用控制在一个合理范围内。当SDS的空间不够使用时，SDS通过realloc()函数重新分配更大的内存空间来实现动态扩展。

2. 自由空间预留

当SDS扩展空间时，会预留额外空间供之后的修改使用，这样在下一次的修改字符串操作时，SDS不用重新分配内存空间，从而提高了效率。

3. 统一管理

SDS在维护字符串长度len以及自由空间的一些空间数据时，不同于一般的字符串结构需要了解并维护一个长度（size）和容量（capacity），SDS将这些数据放在同一个结构体内，从而实现了数据统一管理。

4. 二进制安全

因为SDS不依赖C语言字符串的结尾赋值为0的形式，于是它可以保存任何二进制数据，即使里面有null字符也不会因为截断而丢失数据。

总结：

通过本文的介绍，你已经了解了Redis中SDS数据类型的实现原理，SDS具有动态扩展、统一管理所需的内存空间等特点，这使得SDS数据类型具有极高的灵活性和性能优势，也是Redis数据类型的代表之一。需要注意的是，在实际开发过程中，了解SDS的实现原理可以帮助我们更好地理解Redis的底层机制，也为我们的程序设计提供了最佳实践，挖掘出更高效的利用方式，更好地为我们的项目服务。