Redis 数据结构-双向链表

Redis 数据结构-双向链表

　　　　最是人间留不住，朱颜辞镜花辞树。

1、简介

Redis 之所以快主要得益于它的数据结构、操作内存数据库、单线程和多路 I/O 复用模型，进一步窥探下它常见的五种基本数据的底层数据结构。

Redis 常见数据类型对应的的底层数据结构。

• String：简单动态字符串。
• List：双向链表、压缩列表。
• Hash：压缩列表、哈希表。
• Sorted Set：压缩列表、跳表。
• Set：哈希表、整数数组。

2、双向链表

C 语言是没有内置链表这种结构，而当一个列表键包含较多的元素，或者列表中包含的元素都是比较长的字符串的时，Redis 就会使用链表作为 list 的底层实现，就自己实现了双向链表，相当于Java 语言中的LinkedList，但又不完全是。

单纯的链表优缺点：

• 双向链表数据结构，支持前后顺序遍历。
• 不需要连续的的内存空间，插入和删除的时间复杂度是 O(1) 级别的，效率较高。
• 比起数组它的缺点就是查询较慢（时间复杂度O(n)）。

常见使用场景

双向链表的特性经常被用于异步队列的使用。实际开发中将需要延后处理的任务结构体序列化成字符串，放入Redis 的队列中，另一个线程从这个列表中获取数据进行后续的业务逻辑。

链表节点结构

从redis/src/adlist.h 源码文件中查看链表节点结构设计。

1 typedef struct listNode {
2  struct listNode *prev; // 前置节点，如果是list的头结点，则prev指向NULL 
3  struct listNode *next;// 后置节点，如果是list尾部结点，则next指向NULL 
4  void *value; // 记录该节点的值，能够存放任何信息（也叫万能节点）
5 } listNode;

从listNode 结构中看到一个节点由头指针 prev 、尾指针 next 以及节点的值 value 组成，这种有前置节点和后置节点很明显就是一个双向链表。

链表结构

为了方便操作，Redis 在 listNode 链表节点结构体基础上又封装了 list 这个数据结构，而且封装之后，还提供了头节点、尾节点以及一些自定义的函数。链表结构如下：

 1 typedef struct list {
 2 　　listNode *head; // 链表 头结点 指针 
 3 　　listNode *tail; // 链表 尾结点 指针
 4 　　unsigned long len; // 链表长度计数器 即 节点的个数
 5  
 6 　　// 三个函数指针
 7 　　void *(*dup)(void *ptr); // 复制函数 复制链表节点保存的值 
 8 　　void (*free)(void *ptr); // 释放函数 释放链表节点保存的值
 9 　　int (*match)(void *ptr, void *key); // 匹配函数 查找节点时使用 比较链表节点所保存的节点值和另一个输入的值是否相等 
10 } list;

list 结构为链表提供了链表头指针 head、链表尾节点 tail、链表节点数量 len、以及可以自定义实现的 dup、free、match 函数。

• head：链表 头结点 指针，指向了双向链表的最开始的一个节点；
• tail：链表 尾结点 指针，指向了双向链表的最后一个节点；
• len：代表了双向链表节点的数量；
• dup：复制函数，用于复制双向链表节点所保存的值；
• free：释放函数，用于释放双向链表节点所保存的值；
• match：匹配函数，用于对比双向链表节点所保存的值和另外一个的输入值是否相等。

相关命令

右进左出（队列）

队列在结构上是先进先出（FIFO）的数据结构（比如排队购票的顺序），常见场景如消息排队、异步处理等，用于确保元素的访问顺序。
lpush -> 从左边边添加元素

127.0.0.1:6379> lpush tjt_list 1 2 3

rpush -> 从右边添加元素

127.0.0.1:6379> rpush tjt_list 1 2 3

llen -> 获取列表的长度

127.0.0.1:6379> llen tjt_list

lpop -> 从左边弹出元素

127.0.0.1:6379> lpop tjt_list

右进右出（栈）

栈在结构上是先进后出（FILO）的数据结构（比如弹夹压入子弹，子弹被射击出去的顺序就是栈），这种数据结构一般用来处理一些逆序输出的业务场景。

lpush -> 从左边边添加元素

127.0.0.1:6379> lpush tjt_list 1 2 3

rpush -> 从右边添加元素

127.0.0.1:6379> rpush tjt_list 1 2 3

rpop -> 从右边弹出元素

127.0.0.1:6379> rpop tjt_list

慢操作

由于列表(list)的链表数据结构，它的遍历是慢操作，所以涉及到遍历的性能将会随着遍历区间range 的增大而增大。在Redis 链表中，list 的索引运行为负数，-1代表倒数第一个，-2代表倒数第二个，其它同理。

lindex -> 遍历获取列表指定索引处的值(下方所有为 0)

127.0.0.1:6379> lindex tjt_list 0
"you"

lrange -> 获取从索引start 到stop 处的全部值

127.0.0.1:6379> lrange tjt_list 0 -1
1) "you"
2) "will"
3) "never"
4) "know"

ltrim -> 截取并保存索引start 到stop 处的全部值，其它将会被删除

127.0.0.1:6379> ltrim tjt_list 1 -1
OK
127.0.0.1:6379> lrange tjt_list 0 -1
1) "will"
2) "never"
3) "know"

非普通LinkedList

前面提到了Redis 数据类型List 对应的的底层数据结构有 双向链表 和 压缩列表，因为 Redis底层存储list(列表)不是一个简单的LinkedList，而是quicklist 快速列表。

为什么用quicklist 替代LinkedList

普通的LinkedList node节点元素，都会持有一个prev-> 执行前一个node 节点和next-> 指向后一个node 节点的指针（引用），这种结构虽然支持前后顺序遍历，但是也带来了不小的内存开销，如果node 节点仅仅是一个int 类型的值，那么引用的内存比例将会更大。所以Redis 底层对于list(列表)的存储，当元素个数少的时候，它会使用一块连续的内存空间来存储，这样可以减少每个元素增加prev 和next 指针带来的内存消耗，减少内存碎片化问题。

quicklist

quicklist 是多个ziplist (压缩列表)组成的双向列表。

ziplist

ziplist是一块连续的内存地址，他们之间无需持有prev和next指针，能通过地址顺序寻址访问。

3、链表小结

链表优势

• listNode 链表节点的结构里带有 prev 和 next 指针，获取某个节点的前置节点或后置节点的时间复杂度只需O(1)，而且这两个指针都可以指向 NULL，所以链表是无环链表，对双向链表的访问以 NULL 结束；
• list 结构因为提供了表头指针 head 和表尾节点 tail，所以获取链表的表头、表尾节点的时间复杂度都是 O(1)；
• list 结构因为提供了链表节点数量 len，通过 len 属性直接获取节点的数量，时间复杂度为 O(1) , 效率高；
• listNode 链表节使用 void* 指针保存节点值，并且可以通过 list 结构的 dup、free、match 函数指针为节点设置该节点类型特定的函数，因此链表节点可以保存各种不同类型的值。

​链表缺陷

• 链表每个节点之间的内存都是不连续的，无法很好利用 CPU 缓存。数组数据结构就能很好利用 CPU 缓存，因为数组的内存是连续的，可以充分利用 CPU 缓存来加速访问。
• 保存一个链表节点的值每次都需要为一个链表节点结构头分配空间，内存开销较大。Redis 3.0 的 List 对象在数据量比较少的情况下，会采用 压缩列表 作为底层数据结构的实现，节省内存空间，降低保存链表节点的内存开销。