Redis 底层数据结构 - 简单动态字符串

一、简单动态字符串

简单动态字符串（Simple Dynamic String，简称SDS）是Redis底层实现中使用的一种字符串表示方式，它具有自我调整和内存优化功能。SDS的结构如下：

struct sdshdr {
   
	// 记录buf数组中已使用字节的数量
	// 等于SDS所保存字符串的长度
	int len;
	//记录buf数组中未使用字节的数量
	int free;
	// 字符数组，用于保存字符串
	char buf[];
}

SDS遵循C字符串以空字符结尾的惯例，保存空字符的1字节空间不计算在SDS的len属性里面

二、内存管理

Redis对SDS的内存管理进行了优化。当字符串长度小于16个字节时，Redis会尝试将字符串直接存储在SDS结构中。如果字符串长度超过16个字节，Redis会使用额外的内存来存储字符串。此外，当未使用的空间大于16个字节时，Redis会尝试回收未使用的空间，以减少内存浪费。

三、简单动态字符串与C字符串的区别

1、常数复杂度获取字符串长度

C字符串并不记录自身的长度信息，获取一个C字符串的长度，必须遍历整个字符串，对遇到的字符进行计数，直到遇到代表字符串结尾的空字符为止，复杂度为O(n)；而SDS在len属性中记录了SDS的本身长度，复杂度为O(1)。

2、杜绝缓冲区溢出

C字符串不记录自身长度容易造成缓冲区溢出，SDS的空间分配策略完全杜绝了发生缓冲区的可能性。当SDS API需要对SDS进行修改时，API会先检查SDS的空间是否满足修改所需的要求，如果不满足的话，API会自动将SDS的空间扩展至执行修改所需的大小，然后才执行实际的修改操作。

3、减少修改字符串时带来的内存重分配次数

通过未使用空间，SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略：

1. 空间预分配，当SDS的API对一个SDS进行修改，并且需要对SDS进行空间扩展的时候，程序不仅会为SDS分配修改所必须要的空间，还会为SDS分配额外的未使用空间
2. 惰性空间释放，当SDS的API需要缩短SDS保存的字符串时，程序并不会立即使用内存分配来回收缩短后多出来的字节，而是使用free属性将这些字节的数量记录起来，等待将来使用。

4、二进制安全

C字符串中的字符必须符合某种编码，并且除了字符串的末尾之外，字符串里面不能包含空字符。Redis使用字节数组保存一系列的二进制数据，使用len属性的值而不是空字符判断字符串是否结束。

5、兼容部分C字符串函数

四、应用场景

简单动态字符串在Redis中应用广泛，例如用于存储键值对、实现字符串操作等。由于简单动态字符串的高效内存管理和灵活的扩展性，Redis能够提供高性能的键值对存储服务。

五、总结

简单动态字符串是Redis底层实现中的重要组成部分，它具有自我调整和内存优化功能，使得Redis能够提供高性能的键值对存储服务。通过了解Redis的底层数据结构和工作原理，我们可以更好地理解其性能优势和功能实现方式。这对于在实际应用中选择合适的数据库系统以及优化数据库性能具有重要的指导意义。