7 压缩列表

概述

 压缩列表（ziplist）是列表键和哈希键的底层实现之一。当一个列表键只包含少量列表项，并且每个列表项要么就是小整数值，要么就是长度比较短的字符串，那么 Redis 就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。
 例如，执行以下命令将创建一个压缩列表实现的哈希键：

127.0.0.1:6379> HMSET profile "name" "Jack" "age" 28 "job" "Programmer"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding profile
"ziplist"

 哈希键里面包含的所有键和值都是小整数值或者短字符串。

压缩列表的构成

 压缩列表是 Redis 为了节约内存而开发的，由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型（sequential）数据结构。
 一个压缩列表可以包含任意多个节点（entry），每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。
 图 7-1 展示了压缩列表的各个组成部分， 表 7-1 则记录了各个组成部分的类型、长度、以及用途。

 表 7-1 压缩列表各个组成部分的详细说明如下：

 图 7-2 展示了一个压缩列表示例：

• 列表 zlbytes 属性的值为 0x50（十进制 80），表示压缩列表的总长为 80 字节。
• 列表 zltail 属性的值为 0x3c（十进制 60），这表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针 p，那么只要用指针 p 加上偏移量 60，就可以计算出表尾节点 entry3 的地址。
• 列表 zllen 属性的值为 0x3 （十进制 3），表示压缩列表包含三个节点。

 图 7-3 展示了另一个压缩列表示例：

• 列表 zlbytes 属性的值为 0xd2（十进制 210），表示压缩列表的总长为 210 字节。
• 列表 zltail 属性的值为 0xb3（十进制 179），这表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针 p，那么只要用指针 p 加上偏移量 179，就可以计算出表尾节点 entry5 的地址。
• 列表 zllen 属性的值为 0x5（十进制 5），表示压缩列表包含五个节点。

压缩列表节点的构成

 每个压缩列表节点可以保存一个字节数组或者一个整数值，其中，字节数组可以是以下三种长度的其中一种：

• 长度小于等于 63（2^{6}-1）字节的字节数组；
• 长度小于等于 16383（2^{14}-1） 字节的字节数组；
• 长度小于等于 4294967295（2^{32}-1）字节的字节数组；

 而整数值则可以是以下六种长度的其中一种：

• 4 位长，介于 0 至 12 之间的无符号整数；
• 1 字节长的有符号整数；
• 3 字节长的有符号整数；
• int16_t 类型整数；
• int32_t 类型整数；
• int64_t 类型整数。

 每个压缩列表节点都由 previous_entry_length、encoding、content 三个部分组成， 如图 7-4 所示。

previous_entry_length

 节点的 previous_entry_length 属性以字节为单位，记录了压缩列表中前一个节点的长度。previous_entry_length 属性的长度可以是 1 字节或者 5 字节：

• 如果前一节点的长度小于 254 字节，那么 previous_entry_length 属性的长度为 1 字节： 前一节点的长度就保存在这一个字节里面。
• 如果前一节点的长度大于等于 254 字节，那么 previous_entry_length 属性的长度为 5 字节： 其中属性的第一字节会被设置为 0xFE （十进制值 254），而之后的四个字节则用于保存前一节点的长度。

 图 7-5 展示了一个包含一字节长 previous_entry_length 属性的压缩列表节点， 属性的值为 0x05，表示前一节点的长度为 5 字节。

 图 7-6 展示了一个包含五字节长 previous_entry_length 属性的压缩节点，属性的值为 0xFE00002766，其中值的最高位字节 0xFE 表示这是一个五字节长的 previous_entry_length 属性，而之后的四字节 0x00002766（十进制值 10086 ）才是前一节点的实际长度。

 因为节点的 previous_entry_length 属性记录了前一个节点的长度，所以程序可以通过指针运算，根据当前节点的起始地址来计算出前一个节点的起始地址。  举个例子，如果我们有一个指向当前节点起始地址的指针 c，那么我们只要用指针 c 减去当前节点 previous_entry_length 属性的值，就可以得出一个指向前一个节点起始地址的指针 p，如图 7-7 所示。

encoding

 节点的 encoding 属性记录了节点的 content 属性所保存数据的类型以及长度：

• 一字节、两字节或者五字节长，值的最高位为 00、01 或者 10 的是字节数组编码：这种编码表示节点的 content 属性保存着字节数组，数组的长度由编码除去最高两位之后的其他位记录；
• 一字节长，值的最高位以 11 开头的是整数编码：这种编码表示节点的 content 属性保存着整数值，整数值的类型和长度由编码除去最高两位之后的其他位记录；

 表 7-2 记录了所有可用的字节数组编码，而表 7-3 则记录了所有可用的整数编码。表格中的下划线 _ 表示留空，而 b、x 等变量则代表实际的二进制数据，为了方便阅读，多个字节之间用空格隔开。

 表 7-2 字节数组编码如下：

 表 7-3 整数编码如下：

content

 节点的 content 属性负责保存节点的值，节点值可以是一个字节数组或者整数，值的类型和长度由节点的 encoding 属性决定。
 图 7-9 展示了一个保存字节数组的节点示例：

• 编码的最高两位 00 表示节点保存的是一个字节数组；
• 编码的后六位 001011 记录了字节数组的长度 11；
• content 属性保存着节点的值 "hello world" 。

 图 7-10 展示了一个保存整数值的节点示例：

• 编码 11000000 表示节点保存的是一个 int16_t 类型的整数值；
• content 属性保存着节点的值 10086。

连锁更新

 Redis 在特殊情况下产生的连续多次空间扩展操作称之为“连锁更新”。除了添加新节点可能会引发连锁更新之外，删除节点也可能会引发连锁更新。
 因为连锁更新在最坏情况下需要对压缩列表执行 N 次空间重分配操作，而每次空间重分配的最坏复杂度为 O(N)，所以连锁更新的最坏复杂度为 O(N^2)。  要注意的是，尽管连锁更新的复杂度较高，但它真正造成性能问题的几率是很低的：

• 首先，压缩列表里要恰好有多个连续的、长度介于 250 字节至 253 字节之间的节点，连锁更新才有可能被引发，在实际中，这种情况并不多见；
• 其次，即使出现连锁更新，但只要被更新的节点数量不多，就不会对性能造成任何影响：比如说，对三五个节点进行连锁更新是绝对不会影响性能的；  因为以上原因，ziplistPush 等命令的平均复杂度仅为 O(N)，在实际中，我们可以放心地使用这些函数，而不必担心连锁更新会影响压缩列表的性能。

压缩列表 API

 见 压缩列表的所有操作 APIopen in new window

思考

参考文献

• Redis 设计与实现-第 2 版open in new window