多图解释Redis的整数集合intset升级过程

学习Java的小姐姐 2020/6/23 17:26:42

redis源码分析系列文章[Redis源码系列]在Liunx安装和常见API为什么要从Redis源码分析String底层实现——动态字符串SDSRedis的双向链表一文全知道面试官:说说Redis的Hash底层 我:......(来自阅文的面试题)跳跃表确定不了解下😏 前言大噶好,今天仍然是元气满满的一天…

redis源码分析系列文章

[Redis源码系列]在Liunx安装和常见API

为什么要从Redis源码分析

String底层实现——动态字符串SDS

Redis的双向链表一文全知道

面试官:说说Redis的Hash底层 我:......(来自阅文的面试题)

跳跃表确定不了解下😏 

前言

大噶好,今天仍然是元气满满的一天,抛开永远写不完的需求,拒绝要求贼变态的客户,单纯的学习技术,感受技术的魅力。(哈哈哈,皮一下很开森)

前面几周我们一起看了Redis底层数据结构,如动态字符串SDS双向链表Adlist字典Dict跳跃表,如果有对Redis常见的类型或底层数据结构不明白的请看上面传送门。

今天来说下set的底层实现整数集合,如果有对set不明白的,常见的API使用这篇就不讲了,看上面的传送门哈。


整数集合概念

整数集合是Redis设计的一种底层结构,是set的底层实现,当集合中只包含整数值元素,并且这个集合元素数据不多时,会使用这种结构。但是如果不满足刚才的条件,会使用其他结构,这边暂时不讲哈。

下图为整数集合的实际组成,包括三个部分,分别是编码格式encoding,包含元素数量length,保存元素的数组contents。(这边只需要简单看下,下面针对每个模块详细说明哈😝)


整数集合的实现

我们看下intset.h里面关于整数集合的定义,上代码哈:

//整数集合结构体
typedef struct intset {
    uint32_t encoding;  //编码格式,有如下三种格式,初始值默认为INTSET_ENC_INT16
    uint32_t length;    //集合元素数量
    int8_t contents[];  //保存元素的数组,元素类型并不一定是ini8_t类型,柔性数组不占intset结构体大小,并且数组中的元素从小到大排列。
} intset;               

#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))   //16位,2个字节,表示范围-32,768~32,767
#define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))   //32位,4个字节,表示范围-2,147,483,648~2,147,483,647
#define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))   //64位,8个字节,表示范围-9,223,372,036,854,775,808~9,223,372,036,854,775,807复制代码

编码格式encoding

包括INTSET_ENC_INT16,INTSET_ENC_INT32,INTSET_ENC_INT64三种类型,其分别对应着不同的范围,具体看上面代码的注释信息。

因为插入的数据的大小是不一样的,为了尽可能的节约内存(毕竟都是钱,平时要省着点用😭),所以我们需要使用不同的类型来存储数据。


集合元素数量length

记录了保存数据contents的长度,即有多少个元素。

保存元素的数组contents

真正存储数据的地方,数组是按照从小到大有序排序的,并且不包含任何重复项(因为set是不含重复项,所以其底层实现也是不含包含项的)。

整数集合升级过程(重点,手动标星)

上面的图我们重新看下,编码格式encoding为INTSET_ENC_INT16,即每个数据占16位。长度length为4,即数组content里面有四个元素,分别是1,2,3,4。如果我们要添加一个数字位40000,很明显超过编码格式为INTSET_ENC_INT16的范围-32,768~32,767,应该是编码格式为INTSET_ENC_INT32。那么他是如何升级的呢,从INTSET_ENC_INT16升级到INTSET_ENC_INT32的呢?


1.了解旧的存储格式

首先我们看下1,2,3,4这四个元素是如何存储的。首先要知道一共有多少位,计算规则为length*编码格式的位数,即4*16=64。所以每个元素占用了16位。

2.确定新的编码格式

新的元素为40000,已经超过了INTSET_ENC_INT16的范围-32,768~32,767,所以新的编码格式为INTSET_ENC_INT32。

3.根据新的编码格式新增内存

上面已经说明了编码格式为INTSET_ENC_INT32,计算规则为length*编码格式的位数,即5*32=160。所以新增的位数为64-159。


4.根据编码格式设置对应的值

从上面知道按照新的编码格式,每个数据应该占用32位,但是旧的编码格式,每个数据占用16位。所以我们从后面开始,每次获取32位用来存储数据。

这样说太难懂了,看下图☺。

首先,那最后32位,即128-159存储40000。那么第49-127是空着的。

接着,取空着的49-127最后的32位,即96到127这32位,用来存储4。那么之前4存储的位置48-6349-127剩下的64-95这两部分组成了一个大部分,即48-95,现在空着啦。

在接着在48-95这个大部分,再取后32位,即64-95,用来存储3。那么之前3存储位置32-4748-95剩下的48-63这两部分组成了一个大部分,即32-63,现在空着啦。


再接着,将32-63这个大部分,再取后32位,即还是32-63,用来存储2。那么之前2存储位置16-31空着啦。

最后,将16-31和原来0-31合起来,存储1。


至此,整个升级过程结束。整体来说,分为3步,确定新的编码格式,新增需要的内存空间,从后往前调整数据。

这边有个小问题,为啥要从后往前调整数据呢?


原因是如果从前往后,数据可能会覆盖。也拿上面个例子来说,数据1在0-15位,数据2在16-31位,如果从前往后,我们知道新的编码格式INTSET_ENC_INT32要求每个元素占用32位,那么数据1应该占用0-31,这个时候数据2就被覆盖了,以后就不知道数据2啦。

但是从后往前,因为后面新增了一些内存,所以不会发生覆盖现象。

升级的优点

 节约内存

整数集合既可以让集合保存三种不同类型的值,又可以确保升级操作只在有需要的时候进行,这样就节省了内存。 

不支持降级

一旦对数组进行升级,编码就会一直保存升级后的状态。即使后面把40000删掉了,编码格式还是不会将会INTSET_ENC_INT16。

整数集合的源码分析

创建一个空集合 intsetnew

这个方法比较简单,是初始化整数集合的步骤,即下图部分。


主要的步骤是分配内存空间,设置默认编码格式,以及初始化数组长度length。

intset *intsetNew(void) {
    intset *is = zmalloc(sizeof(intset));//分配内存空间 
    is->encoding = intrev32ifbe(INTSET_ENC_INT16);//设置默认编码格式INTSET_ENC_INT16 
    is->length = 0;//初始化length 
    return is;
}
复制代码

添加元素并升级insetAdd流程图(重点)


添加元素并升级insetAdd源码分析

可以根据上面的流程图,对照着下面的源码分析,这边就不写啦哈。


//添加元素
//输入参数*is为原整数集合
//value为要添加的元素
//*success为是否添加成功的标志量 ,1表示成功,0表示失败 
intset *intsetAdd(intset *is, int64_t value, uint8_t *success) {
	//确定要添加的元素的编码格式 
    uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
    
    uint32_t pos;
    //如果success没有初始值,则初始化为1 
    if (success) *success = 1;

   //如果新的编码格式大于现在的编码格式,则升级并添加元素 
    if (valenc > intrev32ifbe(is->encoding)) {
        //调用另一个方法 
        return intsetUpgradeAndAdd(is,value);
    } else {
        //如果编码格式不变,则调用查询方法 
        //输入参数is为原整数集合 
        //value为要添加的数据
		//pos为位置 
        if (intsetSearch(is,value,&pos)) {//如果找到了,则直接返回,因为数据是不可重复的。 
            if (success) *success = 0;
            return is;
        }

		//设置length 
        is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);
        if (pos < intrev32ifbe(is->length)) intsetMoveTail(is,pos,pos+1);
    }
	//设置数据 
    _intsetSet(is,pos,value);
    is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);
    return is;
}


//#define INT8_MAX 127
//#define INT16_MAX 32767
//#define INT32_MAX 2147483647
//#define INT64_MAX 9223372036854775807LL 
static uint8_t _intsetValueEncoding(int64_t v) {
    if (v < INT32_MIN || v > INT32_MAX)
        return INTSET_ENC_INT64;
    else if (v < INT16_MIN || v > INT16_MAX)
        return INTSET_ENC_INT32;
    else
        return INTSET_ENC_INT16;
}


//根据输入参数value的编码格式,对整数集合is的编码格式升级 
static intset *intsetUpgradeAndAdd(intset *is, int64_t value) {
    //当前集合的编码格式 
	uint8_t curenc = intrev32ifbe(is->encoding);
	//根据对value解析获取新的编码格式 
    uint8_t newenc = _intsetValueEncoding(value);
    //获取集合元素数量 
    int length = intrev32ifbe(is->length);
    //如果要添加的数据小于0,则prepend为1,否则为0 
    int prepend = value < 0 ? 1 : 0;

   //设置集合为新的编码格式,并根据编码格式重新设置内存 
    is->encoding = intrev32ifbe(newenc);
    is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);

	//逐步循环,直到length小于0,挨个重新设置每个值,从后往前 
    while(length--)
        _intsetSet(is,length+prepend,_intsetGetEncoded(is,length,curenc));

	//如果value为负数,则放在最前面 
    if (prepend)
        _intsetSet(is,0,value);
    else//如果value为整数,设置最末尾的元素为value 
        _intsetSet(is,intrev32ifbe(is->length),value);
    //重新设置length 
    is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);
    return is;
}


//找到is集合中值为value的下标,返回1,并保存在pos中,没有找到返回0,并将pos设置为value可以插入到数组的位置
static uint8_t intsetSearch(intset *is, int64_t value, uint32_t *pos) {
    int min = 0, max = intrev32ifbe(is->length)-1, mid = -1;
    int64_t cur = -1;

    //如果集合为空,那么位置pos为0 
    if (intrev32ifbe(is->length) == 0) { 
        if (pos) *pos = 0;
        return 0;
    } else {
        //因为数据是有序集合,如果要添加的数据大于最后一个数字,那么直接把要添加的值放在最后即可,返回最大值下标 
        if (value > _intsetGet(is,intrev32ifbe(is->length)-1)) {
            if (pos) *pos = intrev32ifbe(is->length);
            return 0;
        } else if (value < _intsetGet(is,0)) { //如果这个数据小于数组下标为0的数据,即为最小值 ,返回0 
            if (pos) *pos = 0;
            return 0;
        }
    }
	//有序集合采用二分法 
    while(max >= min) {
        mid = ((unsigned int)min + (unsigned int)max) >> 1;
        cur = _intsetGet(is,mid);
        if (value > cur) {
            min = mid+1;
        } else if (value < cur) {
            max = mid-1;
        } else {
            break;
        }
    }

	//确定找到 
    if (value == cur) {
        if (pos) *pos = mid;//设置参数pos,返回1,即找到位置 
        return 1;
    } else {//如果没找到,则min和max相邻,随便设置都行,并返回0 
        if (pos) *pos = min; 
        return 0;
    }
}复制代码

结语

该篇主要讲了Redis的SET数据类型的底层实现整数集合,先从整数集合是什么,,剖析了其主要组成部分,进而通过多幅过程图解释了intset是如何升级的,最后结合源码对整数集合进行描述,如创建过程,升级过程,中间穿插例子和过程图。

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