原理Redis-Dict字典

Dict

  • 1) Dict组成
  • 2) Dict的扩容
  • 3) Dict的收缩
  • 4) Dict的rehash
  • 5) 总结

1) Dict组成

Redis是一个键值型(Key-Value Pair)的数据库,可以根据键实现快速的增删改查。而键与值的映射关系正是通过Dict来实现的。

Dict由三部分组成,分别是:哈希表(DictHashTable)、哈希节点(DictEntry)、字典(Dict)

typedef struct dictht {// entry数组// 数组中保存的是指向entry的指针dictEntry **table; // 哈希表大小 (必须是2的n次方)unsigned long size;     // 哈希表大小的掩码,总等于size - 1unsigned long sizemask;     // entry个数unsigned long used; 
} dictht;
typedef struct dictEntry {void *key; // 键union {void *val;uint64_t u64;int64_t s64;double d;} v; // 值// 下一个Entry的指针struct dictEntry *next; 
} dictEntry;

当我们向Dict添加键值对时,Redis首先根据key计算出hash值(h),然后利用 h & sizemask (与运算) 来计算元素应该存储到数组中的哪个索引位置。

假设创建一个哈希表,并初始化它的dictEntry数组为4

在这里插入图片描述

然后存储k1=v1,假设k1的哈希值h =1,则 1&3 =1,因此k1=v1要存储到数组角标1位置。

  • 在内存中创建 dictEmtry,数组指向具体dictEmtry
  • 并将used更新为1

在这里插入图片描述

假设现在有一个新的dictEntry k2=v2,且k2的哈希值与k1一致

  • 将数组的指针指向新的k2 dictEntry (就是将新的dictEntry放在链表的队首)
  • 将旧的k1 dictEntry的地址存储到k2的next指针中
  • 并将used更新为2

在这里插入图片描述

字典Dict

typedef struct dict {dictType *type; // dict类型,内置不同的hash函数void *privdata;     // 私有数据,在做特殊hash运算时用dictht ht[2]; // 一个Dict包含两个哈希表,其中一个是当前数据,另一个一般是空,rehash时使用long rehashidx;   // rehash的进度,-1表示未进行, 0表示正在进行rehashint16_t pauserehash; // rehash是否暂停,1则暂停,0则继续
} dict;

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2) Dict的扩容

Dict中的HashTable就是数组结合单向链表的实现,当集合中元素较多时,必然导致哈希冲突增多,链表过长,则查询效率会大大降低。

Dict在每次新增键值对时都会检查负载因子(LoadFactor = used/size) ,满足以下两种情况时会触发哈希表扩容

  • 哈希表的 LoadFactor >= 1,并且服务器没有执行 BGSAVE 或者 BGREWRITEAOF 等后台进程
  • 哈希表的 LoadFactor > 5
static int _dictExpandIfNeeded(dict *d){// 如果正在rehash,则返回okif (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK;// 如果哈希表为空,则初始化哈希表为默认大小:4if (d->ht[0].size == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE);// 当负载因子(used/size)达到1以上,并且当前没有进行bgrewrite等子进程操作// 或者负载因子超过5,则进行 dictExpand ,也就是扩容if (d->ht[0].used >= d->ht[0].size &&(dict_can_resize || d->ht[0].used/d->ht[0].size > dict_force_resize_ratio){// 扩容大小为used + 1,底层会对扩容大小做判断,实际上找的是第一个大于等于 used+1 的 2^nreturn dictExpand(d, d->ht[0].used + 1);}return DICT_OK;
}

3) Dict的收缩

Dict除了扩容以外,每次删除元素时,也会对负载因子做检查,当LoadFactor < 0.1 时,会做哈希表收缩:

// t_hash.c # hashTypeDeleted() 
...
if (dictDelete((dict*)o->ptr, field) == C_OK) {deleted = 1;// 删除成功后,检查是否需要重置Dict大小,如果需要则调用dictResize重置/* Always check if the dictionary needs a resize after a delete. */if (htNeedsResize(o->ptr)) dictResize(o->ptr);
}
...
// server.c 文件
int htNeedsResize(dict *dict) {long long size, used;// 哈希表大小size = dictSlots(dict);// entry数量used = dictSize(dict);// size > 4(哈希表初识大小)并且 负载因子低于0.1return (size > DICT_HT_INITIAL_SIZE && (used*100/size < HASHTABLE_MIN_FILL));
}
int dictResize(dict *d){unsigned long minimal;// 如果正在做bgsave或bgrewriteof或rehash,则返回错误if (!dict_can_resize || dictIsRehashing(d)) return DICT_ERR;// 获取used,也就是entry个数minimal = d->ht[0].used;// 如果used小于4,则重置为4if (minimal < DICT_HT_INITIAL_SIZE)minimal = DICT_HT_INITIAL_SIZE;// 重置大小为minimal,其实是第一个大于等于minimal的2^nreturn dictExpand(d, minimal);
}

4) Dict的rehash

不管是扩容还是收缩,必定会创建新的哈希表,导致哈希表的size和sizemask变化,而key的查询与sizemask有关。因此必须对哈希表中的每一个key重新计算索引,插入新的哈希表,这个过程称为rehash。过程是这样的:

  • 1.计算新hash表的realeSize,值取决于当前要做的是扩容还是收缩:
    • 如果是扩容,则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used + 1的2^n
    • 如果是收缩,则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used的2^n (不得小于4)
  • 2.按照新的realeSize申请内存空间,创建dictht,并赋值给dict.ht[1]
  • 3.设置dict.rehashidx = 0,标示开始rehash
  • 4.将dict.ht[0]中的每一个dictEntry都rehash到dict.ht[1]
  • 5.将dict.ht[1]赋值给dict.ht[0],给dict.ht[1]初始化为空哈希表,释放原来的dict.ht[0]的内存

例如:现在有一个字典,字典里有两个dictht,dictht[0]存有4个entry。假设现在有一个新元素 k5=v5

在这里插入图片描述

在dictht[1]中创建大于5的第一个2的n次方的数组,修改size/sizemask/rehashidx/used

在这里插入图片描述

将dictht[0]的元素全部转移至dict[1]中,dictht[0]并指向新的dictEntry,dictht[1]设置为空

在这里插入图片描述

Dict的rehash并不是一次性完成的。试想一下,如果Dict中包含数百万的entry,要在一次rehash完成,极有可能导致主线程阻塞。因此Dict的rehash是分多次、渐进式的完成,因此称为渐进式rehash。流程如下:

  • 1.计算新hash表的realeSize,值取决于当前要做的是扩容还是收缩:
    • 如果是扩容,则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used + 1的2^n
    • 如果是收缩,则新size为第一个大于等于dict.ht[0].used的2^n (不得小于4)
  • 2.按照新的realeSize申请内存空间,创建dictht,并赋值给dict.ht[1]
  • 3.设置dict.rehashidx = 0,标示开始rehash
  • 4.将dict.ht[0]中的每一个dictEntry都rehash到dict.ht[1]
  • 4.每次执行新增、查询、修改、删除操作时,都检查一下dict.rehashidx是否大于-1,如果是则将dict.ht[0].table[rehashidx]的entry链表rehash到dict.ht[1],并且将rehashidx++。直至dict.ht[0]的所有数据都rehash到dict.ht[1]
  • 5.将dict.ht[1]赋值给dict.ht[0],给dict.ht[1]初始化为空哈希表,释放原来的dict.ht[0]的内存
  • 6.将rehashidx赋值为-1,代表rehash结束
  • 7.在rehash过程中,新增操作,则直接写入ht[1],查询、修改和删除则会在dict.ht[0]和dict.ht[1]依次查找并执行。这样可以确保ht[0]的数据只减不增,随着rehash最终为空

5) 总结

Dict的结构:

  • 类似java的HashTable,底层是数组加链表来解决哈希冲突
  • Dict包含两个哈希表,ht[0]平常用,ht[1]用来rehash

Dict的伸缩:

  • 当LoadFactor大于5或者LoadFactor大于1并且没有子进程任务时,Dict扩容
  • 当LoadFactor小于0.1时,Dict收缩
  • 扩容大小为第一个大于等于used + 1的2^n
  • 收缩大小为第一个大于等于used 的2^n
  • Dict采用渐进式rehash,每次访问Dict时执行一次rehash
  • rehash时ht[0]只减不增,新增操作只在ht[1]执行,其它操作在两个哈希表

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