1. String
   1.1 结论
   1.2 表格
   1.3 底层原理
2. List
   2.1 结论
   2.2 表格
   2.3 底层原理
3. hash
   3.1 结论
   3.2 表格
   3.3 原理
4. set
   4.1 结论
   4.2 表格
   4.3 原理
5. zset
   5.1 什么是跳表
   5.2 常用命令时间复杂度

redis本身是开源的C语言编写的k-v存储系统，他支持String、List、Set、ZSet、hash五种数据结构，每种数据结构底层是如何实现的？其数据结构为什么？

1. String

1.1 结论

底层结构：指针+字符数组
时间复杂度：O(1)

1.2 表格

string时间复杂度.png

1.3 底层原理

Redis是C语言开发的，但在C语言中并没有字符串类型，只能使用指针和字符数组的形式来保存一个字符串。所以Redis设计了一个简单的动态字符串(SDS [Simple Dynamic String])来作为底层实现。

struct sdshdr{
  //记录buf数组中已使用的字节的长度
   int len;
  //记录buf数组中剩余空间的长度
   int free;
  //字节数组，用于存储字符串
  char buf[];
}

string结构.png

• 获取字符串长度的时间复杂的为O(1)，因为len保存的是当前字符串长度。
• SDS会自动进行扩容，SDS拼接之后，若此时len小于1MB，则会多分配与len相同的未使用空间，使用free表示；若ken大于1MB，则会多分配1MB空间。
• 惰性释放，当字符串进行缩短之后，程序不会立即回收空间，而是记录在free中，以便后序拼接的使用。

2. List

2.1 结论

底层结构：双向链表
时间复杂度：查询效率为O(n)。但是访问两端元素的时间复杂度O(1)

1. lRange时间复杂度O(n)；
2. lpop时间复杂度O(1)；
3. lpush key value1 value2 value3... valueN 从list的左边添加一个或者多个元素 时间复杂度O(1~n)；

2.2 表格

image.png

2.3 底层原理

底层结构：quicklist

一个链表结构可以有序的存储多个字符串，拥有例如：lpush、lpop、rush、rpop等操作。在3.2版本之前，列表使用ziplist和linkedlist来实现。而在3.2版本之后，重新引入了一个quicklist的数据结构，列表的底层是由quicklist实现的，它结合了ziplist和linkedlist的优点。按照原文的解释是：【A doubly linked list of ziplist】。存。

在老版本中，当列表对象同时满足一下两个条件时，列表将使用ziplist编码：

1. 列表对象保存的所有字符串元素长度都小于64字节；
2. 列表对象保存的元素数量小于512个；

当有一个条件不满足时将进行一次转码，使用linkedlist。

ziplist

ziplist是一个经过特殊编码的双向链表，它设计的目的是为了提高存储的效率。一个普通的双向链表，链表中每一项都占用独立的一块内存，各项之间用地址指针（或引用）连接起来，但是这种方式会造成大量的内存碎片，而且地址指针也会占用额外的内存。

ziplist却是将表中每一项存放在前后连续的地址空间内，一个ziplist整体占用一大块内存。它是一个表（list），但其实不是一个链表（linked list）

• ziplist作用：节省内存；
• ziplist特点：数据存放在前后连续的地址空间内；

Redis内部数据结构详解(4)——ziplist

linkedlist

双向列表，插入和删除的效率高，但是查询的效率确实O(n)

quicklist

【A doubly linked list of ziplist】ziplist组成的双向链表。它宏观上就是一个链表结构，只不过每一个节点都是以ziplist来存储数据，而ziplist中又包含多个entry。也可以说quicklist节点保存的是一片数据

• 整体上quicklist是一个双向链表结构，和普通的链表操作一样，它的插入删除效率高，但是查询效率确实O(n)，不过，这样链表访问两端的元素的时间复杂度都是O(1)，故对list操作多数都是poll和push。
• 每个quicklist节点就是一个ziplist，具有压缩列表的特性。

在redis.conf配置文件中，有两个参数可以优化：

1. list-max-ziplist-size表示每个quicklist节点的字节大小，默认为-2，表示8kb。
2. list-compress-depth：表示quicklist节点是否要压缩，0表示永不压缩。

image.png

3. hash

3.1 结论

底层结构：ziplist或者hashtable
时间复杂度：O(1)

3.2 表格

hash时间复杂度.png

3.3 原理

redis的散列可以存储多个键值对之间的映射。hash底层的数据结构实现其实有两种：

• 一种是ziplist（将键与值都压入链表中），当存储的数据超过配置的阈值时就会转化为hashtable结构，这种转换比较耗费时间，我们应该尽量避免这种转化操作，同时满足一下两个条件时才会使用这种结构：

  • 当键的个数小于hash-max-ziplist-entries（默认512）
  • 当所有值都小于hash-max-ziplist-value （默认64）

• 另一种就是hashtable，这种结构的时间复杂度为O(1)，但是会消耗比较多的内存空间。

4. set

4.1 结论

底层结构：整数集合（intset）或者字典（hashtable）
时间复杂度：O(1)

4.2 表格

set时间复杂度.png

4.3 原理

typedef struct intset{
  //编码方式
  uint32_t encoding;
  //元素数量
  uint32_t length;
  //存储元素的数组
  int8_t contents[];
}

整数集合中的每个元素都是contents数组的一个数组项，各个项在数组中按值的大小进行有序排列，并且不包含重复的项。contents数组中的元素类型由encoding决定，没当加入新元素时，如果元素的编码大于contents数组元素的编码，则数组元素会整体升级，注意不会发生降级。

5. zset

底层结构：ziplist或者skiplist（跳表）
时间复杂度：O(log(n))

5.1 什么是跳表

力扣——1206. 设计跳表

跳表设计思路和链表相似，跳表中有很多层，每一层是一个短的链表。在第一层的作用下，增删查的时间复杂度不超过O(n)。跳表的每一个操作平均时间复杂度为 O(log(n))，空间复杂度是 O(n)。

跳跃表是一种有序的数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问节点的目的。跳表的期望空间复杂度为O(n)O(n)，跳表的查询，插入和删除操作的期望时间复杂度都为O(logn)O(logn)。

Redis内部数据结构详解之跳跃表(skiplist)

跳表是一种随机化数据结构，基于并联的链表。

跳表结构.png

5.2 常用命令时间复杂度

image.png

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