Redis教程

redis之intset整数集合,还是内存优化?

本文主要是介绍redis之intset整数集合,还是内存优化?,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

文章目录

  • 前言
  • 一、整数集合?
    • 1. 背景
    • 2. 应用
  • 二、原理分析
    • 1. 基本使用
    • 2. 数据存储
      • 2.1 升级
      • 2.2 为何不降级?
    • 3. 效率
      • 3.1 时间复杂度:
      • 3.2 节省空间?
  • 三、源码分析
    • 1. 数据结构
    • 2. 常用API
    • 3. 基本操作
      • 3.1 查询元素
      • 3.2 添加元素
      • 3.3 删除元素
  • 总结


前言

整数集合(intset)是一个有序的存储整型数据的结构。我们知道 redis 是一个内存数据库,所以必须考虑如何能够高效地利用内存。

当 redis 集合类型的元素都是整数并且都处在64位有符号整数范围之内时,使用该结构体存储。

一、整数集合?

1. 背景

本质上和我们之前聊到的 ziplist, quicklist, listpack 类似,都是为了 节省内存 而生;

不同的是 intset 实现上更为简单,没有复杂的编码算法(空间压缩),从名字上可以得到两个信息 int + set,即 整型 + set集合 用来保存整型数据的 set 集合。

到这里,你可能想到 redis 中 set 数据类型的实现;没错,在 set 底层的实现中,就有 intset 这种数据结构来存储整型数据。

我们知道,int 类型根据数据的大小可以划分为 int16int32int64 几种,分别占用 2个、4个、8个字节;

假设,我们现在有一个 set 集合的整型数据,数值都小于 65536,这个时候让你来选择底层存储,你会考虑使用哪种类型存储?按照最节省内存的方式,这些数值都可以用 int16 来存储;如果再新增一个元素 10000000,又该怎么存呢?

很显然,int16已经不够存储,这时候得换做 int32 来存储,那之前用 int16 存储的数据需要改类型吗?在 redis 的 intset 结构中,答案为 要改变

为什么要改变?直接用 int16 和 int32 分别存储(也就是在一个 intset 支持多种 int)不是更加节省内存吗?来,带着疑问一起接着往下看 ~

2. 应用

intset 这种结构在 redis 的应用主要用于支持 set 集合的底层实现之一,并且仅限于整型元素,也就是说当 set 集合出现了一个字符串元素时,其底层结构将改变为 hashtable

总的来说,intset 需要满足一定条件才会应用于 set 集合底层实现:

  • 元素都是整形
  • 集合长度需要小于指定长度

set 集合的底层实现使用了 hashtableintset 两种数据结构,当然,不会同时使用,在一定条件下会发生切换:

  • 一种情况为当元素个数超过一定数量之后(默认值为512),即使元素类型仍然是整型,也会将编码转换为 hashtable,该值由如下配置项决定:set-max-intset-entries 512
  • 另一种情况为当增加非整型变量时,例如在集合中增加元素 ’a’ 后,set 的底层编码从 intset 转换为 hashtable:

二、原理分析

1. 基本使用

前面已经提到,intset 作为 set 集合的底层数据结构,注意,是底层数据结构;而只有 set、list 这样的数据类型才有具体的使用意义。

因此,谈到 intset 的基本使用,我们且看它在底层如何扮演角色。

在客户端输入如下命令并查看其编码:

127.0.0.1:6379> sadd testSet 1 2 3 4 5
(integer) 1
127.0.0.1:6379> object encoding testSet
"intset"

可以看到,此时 set 底层数据结构采用的是 intset。当我们往里面添加一个字符串,来看看变化:

127.0.0.1:6379> sadd testSet hello
(integer) 1
127.0.0.1:6379> object encoding testSet
"hashtable"

此时,底层采用 hashtable 结构,与咱们上面聊的编码切换条件对应上。

2. 数据存储

intset 是 redis 用于保存整数值的集合抽象数据结,它可以保存 int16_t、int32_t 、int64_t 类型的整型数据,并且可以保证集合中不会出现重复数据。每个整数集合使用一个 intset 类型的数据结构表示。intset结构体如下:

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;
    uint32_t length;
    int8_t contents[];
} intset;

其中,encoding 表示编码,有 int16_t、int32_t 、int64_t 三种取值;length 表示 intset 集合的元素个数;contents 则存储具体的数据。

2.1 升级

每当我们要将一个新元素添加到整数集合里面,并且新元素的类型比整数集合现有所有元素的类型都要长时,整数集合需要先进行升级(upgrade),然后才能将新元素添加到整数集合里面。

升级整数集合并添加新元素共分为三步进行:

  • 根据新元素的类型,扩展整数集合底层数组的空间大小,并为新元素分配空间。
  • 将底层数组现有的所有元素都转换成与新元素相同的类型,并将类型转换后的元素放置到正确的位上,而且在放置元素的过程中,需要继续维持底层数组的有序性质不变。
  • 将新元素添加到底层数组里面

升级有哪些好处?

整数集合的升级策略有两个好处,一个是提升整数集合的灵活性,另一个是尽可能地节约内存

提升灵活性

因为C语言是静态类型语言,为了避免类型错误,我们通常不会将两种不同类型的值放在同一个数据结构里面。

例如,我们一般只使用 int16_t 类型的数组来保存 int16_t 类型的值,只使用 int32_t 类型的数组来保存 int32_t 类型的值,诸如此类。

但是,因为整数集合可以通过自动升级底层数组来适应新元素,所以我们可以随意地将 int16_t、int32_t 或者 int64_t 类型的整数添加到集合中,而不必担心出现类型错误,这种做法非常灵活

节约内存

当然,要让一个数组可以同时保存 int16_t、int32_t、int64_t 三种类型的值,最简单的做法就是直接使用 int64_t 类型的数组作为整数集合的底层实现。

不过,这样一来,即使添加到整数集合里面的都是 int16_t 类型或者 int32_t 类型的值,数组都需要使用 int64_t 类型的空间去保存它们,从而出现浪费内存的情况。

而整数集合现在的做法既可以让集合能同时保存三种不同类型的值,又可以确保升级操作只会在有需要的时候进行,这可以尽量节省内存。

例如,如果我们一直只向整数集合添加 int16_t 类型的值,那么整数集合的底层实现就会一直是 int16_t 类型的数组,只有在我们要将 int32_t 类型或者 int64_t 类型的值添加到集合时,程序才会对数组进行升级。

2.2 为何不降级?

整数集合不支持降级操作,一旦对数组进行了升级,编码就会一直保持升级后的状态。为何不支持降级操作?

笔者查了很多资料,都并未明确说出原因。按笔者开始的想法,能升则能降;升级,就是将每个元素变大一些,那降级自然就是将每个元素变小一些;

比如,当前集合为 int64, 删除一个元素后,所有元素都小于 int64,那么就可以将所有元素降级为 int32。

这里有一个 “关键” 问题,如何判断当前集合所有元素小于 int64?对于插入元素来说,我们可以很好的判断是否需要升级,因此从 intset 结构里就能拿到当前的 encoding,也就自然能判断了;

别忘了,我们维护的 intset 集合是一个有序集合,最后一个元素就是 intset 最大的,所以,也很容易判断当前最合适的 int 长度;那,为什么不降级呢?

笔者看了下源码,发现一个细节,当新增元素时,都会使用系统函数 zrealloc 重新分配内存空间;而删除元素时,并不会使用,仅仅将后面的元素依次往前挪动,覆盖删除的元素空间即可。

如果降级,必然意味着一次 zrealloc 调用,这算一次可观的消耗,不划算。升级怎么就可以了? 因为插入本身就需要一次 zrealloc 调用重新分配空间,从这个角度来看,并没有额外消耗。

3. 效率

3.1 时间复杂度:

查询:inset 维护的是一个有序的整数集合,增删查等操作都会使用二分搜索定位目标位置,这过程的时间复杂度为 O(logN)

插入:因为每次向整数集合添加新元素都可能会引起升级,而每次升级都需要对底层数组中已有的所有元素进行类型转换,所以向整数集合添加新元素的时间复杂度为 O(N)

删除:指定元素被删除后,需要将其后的元素往前挪动,因此时间复杂度为 O(N)

聊时间复杂度的优劣,需要放到对应的场景去评判;我们知道,intset 应用于 set 集合底层实现,同样,实现 set 集合的另一个底层结构是 hashtable,也叫做字典,就时间复杂度而言,intset 相比于 字典 能占到优势吗?

相信,大家都应该熟悉 哈希字典 这种结构,其 增删查 等操作的时间复杂度为 O(1),因此,intset 就这一角度来看是没有任何优势的。也正是这样,intset 集合的长度需要做限制。

3.2 节省空间?

相比较用 字典 来存储,有什么优势?前面我们聊到,intset 就是为了节省内存而设计,因此,在内存这方面定然优于 字典。

字典,是 key - value 结构;而 set 集合实际上只使用了 key 这个字段,也就是说集合中的元素都通过 key 来存储,而 value 则为 null;

我们从 t_set.c 的源码片段来看看:

    dict *ht = subject->ptr;
    dictEntry *de = dictAddRaw(ht,value,NULL);
    if (de) {
        // key 以 sds 字符串存储
        dictSetKey(ht,de,sdsdup(value));
        // value 设置为 null 
        dictSetVal(ht,de,NULL);
        return 1;
    }

可以看到,实际处理上将元素转化为 sds 字符串存储;

比如,元素65535,如果用字符串存储的话需要5个字节,而按整型存储则只需2个字节即可,从这方面来看,将整型转化为字符串存储并不划算,而 intset 存储整型数据优势明显。

综上,通过时间和空间复杂度对比,可以看到,intset 相较于字典是一种时间换空间的结构。

三、源码分析

1. 数据结构

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;
    uint32_t length;
    int8_t contents[];
} intset;

encoding:编码类型,决定每个元素占用几个字节

  • int16_t:每个元素占 2 个字节。
  • int32_t:每个元素占 4 个字节。
  • int64_t:每个元素占 8 个字节

length:元素个数。即一个 intset 中包括多少个元素。

contents:存储具体元素。根据 encoding 字段决定多少个字节表示一个元素。

2. 常用API

// 创建集合,O(1)
intset *intsetNew(void); 
// 添加元素,O(N)
intset *intsetAdd(intset *is, int64_t value, uint8_t *success);
// 移除给定元素,O(N)
intset *intsetRemove(intset *is, int64_t value, int *success);
// 查询给定元素,O(logN)
uint8_t intsetFind(intset *is, int64_t value);
// 从整数集合中随机返回一个元素,O(1)
int64_t intsetRandom(intset *is);
// 取出底层数组在给定索引上的元素,O(1)
uint8_t intsetGet(intset *is, uint32_t pos, int64_t *value);
// 返回集合中元素个数,O(1)
uint32_t intsetLen(const intset *is);
// 返回集合占用的内存字节数,O(1)
size_t intsetBlobLen(intset *is);

3. 基本操作

3.1 查询元素

1)intsetFind

uint8_t intsetFind(intset *is, int64_t value) {
    // 查询元素 value 的编码,即长度
    uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
    // 具体搜索交给 intsetSearch 处理
    return valenc <= intrev32ifbe(is->encoding) && intsetSearch(is,value,NULL);
}

2)intsetSearch

因为 intset 是一个有序集合,因此,内部搜索算法使用的二分法搜索,时间复杂度 O(logN)。

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;
    // 集合为空就直接返回
    if (intrev32ifbe(is->length) == 0) {
        if (pos) *pos = 0;
        return 0;
    } else {
        // 先检查最大和最小的元素,如果 value 大于最大或者小于最小元素,则肯定不在集合中
        if (value > _intsetGet(is,max)) {
            if (pos) *pos = intrev32ifbe(is->length);
            return 0;
        } else if (value < _intsetGet(is,0)) {
            if (pos) *pos = 0;
            return 0;
        }
    }

    // 二分搜索
    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;
        }
    }

    if (value == cur) {
        if (pos) *pos = mid;
        return 1;
    } else {
        if (pos) *pos = min;
        return 0;
    }
}

参数 pos 作为引用返回,如果找到,则返回元素在 intset 集合中的位置下标;反之,没有找到的话,返回可以插入此 value 的位置下标。

3.2 添加元素

1)intsetAdd:

intset *intsetAdd(intset *is, int64_t value, uint8_t *success) {
    uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
    uint32_t pos;
    if (success) *success = 1;

    if (valenc > intrev32ifbe(is->encoding)) {
        // 插入 value 长度大于当前集合 encoding 长度,需要整体升级
        return intsetUpgradeAndAdd(is,value);
    } else {
        // 先二分找到插入位置,pos 引用返回下标
        if (intsetSearch(is,value,&pos)) {
            if (success) *success = 0;
            return is;
        }
        // 因为新增了元素,所以需要重新分配一块空间
        is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);
        // 如果插入位置在中间,要先把空间腾出来,也就是从pos之后元素往后挪一个
        if (pos < intrev32ifbe(is->length)) intsetMoveTail(is,pos,pos+1);
    }
    // 将 pos 位置赋值为 value
    _intsetSet(is,pos,value);
    is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);
    return is;
}

可以看到,如果不需要升级,该方法即可完成插入操作;

2)intsetUpgradeAndAdd

如果插入 value 长度大于当前 intset 的长度,需要先进行整体升级

static intset *intsetUpgradeAndAdd(intset *is, int64_t value) {
    uint8_t curenc = intrev32ifbe(is->encoding);
    uint8_t newenc = _intsetValueEncoding(value);
    int length = intrev32ifbe(is->length);
    // 判断正负数
    int prepend = value < 0 ? 1 : 0;

    is->encoding = intrev32ifbe(newenc);
    // 重新分配空间
    is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);

    // 挪动并升级原来集合中的元素
    // 注意,是从最后一个位置开始挪动,否则可能导致元素覆盖
    while(length--)
        _intsetSet(is,length+prepend,_intsetGetEncoded(is,length,curenc));

   // 在集合第一个位置插入(负数) 
    if (prepend)
        _intsetSet(is,0,value);
    else // 在集合的末尾插入(正数)
        _intsetSet(is,intrev32ifbe(is->length),value);
    is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);
    return is;
}

如果待插入元素小于0,说明需要插入 intset 的头部;如果待插入元素大于0,需要插入 intset 的尾部。

既然执行了扩容,说明待插入元素不是最大值就是最小值。

3.3 删除元素

1)intsetRemove

intset *intsetRemove(intset *is, int64_t value, int *success) {
    // 获取待删除元素编码
    uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
    uint32_t pos;
    if (success) *success = 0;
    
    // 待删除元素编码必须小于intset编码,并且该元素存在才会执行删除操作
    if (valenc <= intrev32ifbe(is->encoding) && intsetSearch(is,value,&pos)) {
        uint32_t len = intrev32ifbe(is->length);

        /* We know we can delete */
        if (success) *success = 1;

        // 如果删除元素位于intset中间,则通过intsetMoveTail覆盖掉该元素空间
        // 如果位于intset末尾,则intset收缩内存后直接将其丢弃
        if (pos < (len-1)) intsetMoveTail(is,pos+1,pos);
        is = intsetResize(is,len-1);
        is->length = intrev32ifbe(len-1);
    }
    return is;
}

可以看到,如果删除元素位于集合中间,则通过 intsetMoveTail 移动待删除元素之后的元素,覆盖待删除元素内存空间即可。

移动之后,将集合空间进行缩容处理。

2)intsetMoveTail
将尾部的一些元素往前挪动,覆盖删除的元素空间。

static void intsetMoveTail(intset *is, uint32_t from, uint32_t to) {
    void *src, *dst;
    uint32_t bytes = intrev32ifbe(is->length)-from;
    uint32_t encoding = intrev32ifbe(is->encoding);

    if (encoding == INTSET_ENC_INT64) {
        src = (int64_t*)is->contents+from;
        dst = (int64_t*)is->contents+to;
        bytes *= sizeof(int64_t);
    } else if (encoding == INTSET_ENC_INT32) {
        src = (int32_t*)is->contents+from;
        dst = (int32_t*)is->contents+to;
        bytes *= sizeof(int32_t);
    } else {
        src = (int16_t*)is->contents+from;
        dst = (int16_t*)is->contents+to;
        bytes *= sizeof(int16_t);
    }
    memmove(dst,src,bytes);
}

总结

intset 用于 Redis 中集合类型的数据结构。intset 存储整型数据,并且是少量集合元素,就是一种特定场景下的专用数据结构。元素有序,并且不重复。

  • 整数集合是集合键的底层实现之一。
  • 整数集合的底层实现为数组,这个数组以有序、无重复的方式保存集合元素,在有需要时,程序会根据新添加元素的类型,改变这个数组的类型。
  • 升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性,并且尽可能地节约了内存。
  • 整数集合只支持升级操作,不支持降级操作。

综上:intset 作用对象是 整数集合 & 小量元素集合,其最大的特点是节省内存空间

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