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ziplist 是由一系列特殊编码的内存块构成的列表, 一个 ziplist 可以包含多个 节点 entry , 每个节点可以保存一个 长度受限的字符数组 ( 不以 \0 结尾 的 char 数组)或者 整数 , 包括:
- 字符数组
- 长度小于等于 63 \((2^{6} - 1)\) 字节的字符数组
- 长度小于等于 16383 \((2^{14} - 1)\) 字节的字符数组
- 长度小于等于 4294967295 \((2^{32} - 1)\) 字节的字符数组
- 整数
- 4 位长,介于 0 至 12 之间的无符号整数
- 1 字节长,有符号整数
- 3 字节长,有符号整数
- int16_t 类型整数
- int32_t 类型整数
- int64_t 类型整数
因为 ziplist 节约内存 的性质, 哈希键、列表键和有序集合键初始化的底层实现皆采用 ziplist
更多信息请参考《哈希表》、《列表》和《有序集》 接下来先介绍 ziplist 的组成结构, 以及 ziplist 节点的编码方式 再介绍 ziplist 的添加操作和删除操作的执行过程, 以及这两种操作可能引起的连锁更新现象 最后介绍 ziplist 的遍历方法和节点查找方式
构成
下图展示了一个 ziplist 的典型分布结构:
area |<---- ziplist header ---->|<----------- entries ------------->|<-end->| size 4 bytes 4 bytes 2 bytes ? ? ? ? 1 byte +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+ component | zlbytes | zltail | zllen | entry1 | entry2 | ... | entryN | zlend | +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+ ^ ^ ^ address | | | ZIPLIST_ENTRY_HEAD | ZIPLIST_ENTRY_END | ZIPLIST_ENTRY_TAIL
各个域的作用如下:
域 | 长度/类型 | 域的值 |
zlbytes | uint32_t | 整个 ziplist 占用的内存字节数,对 ziplist 进行内存重分配,或者计算末端时使用 |
zltail | uint32_t | 到达 ziplist 表尾节点的偏移量。 通过这个偏移量,可以在不遍历整个 ziplist 的前提下,弹出表尾节点 |
zllen | uint16_t | ziplist 中节点的数量。 当这个值小于 UINT16_MAX (65535)时,这个值就是 ziplist 中节点的数量; 当这个值等于 UINT16_MAX 时,节点的数量需要遍历整个 ziplist 才能计算得出。 |
entryX | ? ziplist | 所保存的节点,各个节点的长度根据内容而定 |
zlend | uint8_t | 255 的二进制值 1111 1111 (UINT8_MAX) ,用于标记 ziplist 的末端 |
为了方便地取出 ziplist 的各个域以及一些指针地址, ziplist 模块定义了以下宏:
宏 | 作用 | 算法复杂度 |
ZIPLIST_BYTES(ziplist) | 取出 zlbytes 的值 | \(\theta(1)\) |
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(ziplist) | 取出 zltail 的值 | \(\theta(1)\) |
ZIPLIST_LENGTH(ziplist) | 取出 zllen 的值 | \(\theta(1)\) |
ZIPLIST_HEADER_SIZE | 返回 ziplist header 部分的长度,总是固定的 10 字节 | \(\theta(1)\) |
ZIPLIST_ENTRY_HEAD(ziplist) | 返回到达 ziplist 第一个节点(表头)的地址 | \(\theta(1)\) |
ZIPLIST_ENTRY_TAIL(ziplist) | 返回到达 ziplist 最后一个节点(表尾)的地址 | \(\theta(1)\) |
ZIPLIST_ENTRY_END(ziplist) | 返回 ziplist 的末端,也即是 zlend 之前的地址 | \(\theta(1)\) |
- ziplist header 部分的长度总是固定的(4 字节 + 4 字节 + 2 字节), 因此将指针移动到表头节点的复杂度为常数时间
- 表尾节点的地址可以通过 zltail 计算得出, 因此将指针移动到表尾节点的复杂度也为常数时间
以下是用于操作 ziplist 的函数:
函数名 | 作用 | 算法复杂度 |
ziplistNew | 创建一个新的 ziplist | \(\theta(1)\) |
ziplistResize | 重新调整 ziplist 的内存大小 | \(\theta(N)\) |
ziplistPush | 将一个包含给定值的新节点推入 ziplist 的表头或者表尾 | \(\theta(N^{2})\) |
zipEntry | 取出给定地址上的节点,并将它的属性保存到 zlentry 结构然后返回 | \(\theta(1)\) |
ziplistInsert | 将一个包含给定值的新节点插入到给定地址 | \(\theta(N^{2})\) |
ziplistDelete | 删除给定地址上的节点 | \(\theta(N^{2})\) |
ziplistDeleteRange | 在给定索引上,连续进行多次删除 | \(\theta(N^{2})\) |
ziplistFind | 在 ziplist 中查找并返回包含给定值的节点 | \(\theta(N)\) |
ziplistLen | 返回 ziplist 保存的节点数量 | \(\theta(N)\) |
ziplistBlobLen | 以字节为单位,返回 ziplist 占用的内存大小 | \(\theta(1)\) |
因为 ziplist 由连续的内存块构成, 在最坏情况下, 当 ziplistPush 、 ziplistDelete 这类对节点进行增加或删除的函数之后, 程序需要执行一种称为 连锁更新 的动作来维持 ziplist 结构本身的性质, 所以这些函数的最坏复杂度都为 \(\theta(N^{2})\)
因为这种最坏情况出现的概率并不高, 所以大可以放心使用 ziplist , 而不必太担心出现最坏情况
节点
一个 ziplist 可以包含多个节点,每个节点可以划分为以下几个部分:
area |<------------------- entry -------------------->| +------------------+----------+--------+---------+ component | pre_entry_length | encoding | length | content | +------------------+----------+--------+---------+
以下几个小节将分别对这个四个部分进行介绍
pre_entry_length
pre_entry_length 记录了 前一个节点的长度 ,通过这个值,可以进行指针计算,从而跳转到上一个节点。
area |<---- previous entry --->|<--------------- current entry ---------------->| size 5 bytes 1 byte ? ? ? +-------------------------+-----------------------------+--------+---------+ component | ... | pre_entry_length | encoding | length | content | | | | | | | value | | 0000 0101 | ? | ? | ? | +-------------------------+-----------------------------+--------+---------+ ^ ^ address | | p = e - 5 e 上图展示了如何通过一个节点向前跳转到另一个节点 用指向当前节点的指针 e , 减去 pre_entry_length 的值(0000 0101 的十进制值, 5) 得出的结果就是指向前一个节点的地址 p
根据编码方式的不同, pre_entry_length 域可能占用 1 字节 或者 5 字节 :
- 1 字节:如果前一节点的长度小于 254 字节,便使用一个字节保存它的值
- 5 字节:如果前一节点的长度大于等于 254 字节,那么将第 1 个字节的值设为 254 ,然后用接下来的 4 个字节保存实际长度
作为例子, 以下是个长度为 1 字节的 pre_entry_length 域, 域的值为 128 (二进制为 1000 0000 )
area |<------------------- entry -------------------->| size 1 byte ? ? ? +------------------+----------+--------+---------+ component | pre_entry_length | encoding | length | content | | | | | | value | 1000 0000 | | | | +------------------+----------+--------+---------+
而以下则是个长度为 5 字节的 pre_entry_length 域, 域的第一个字节被设为 254 的二进制 1111 1110 , 而之后的四个字节则被设置为 10086 的二进制 10 0111 0110 0110 (多余的高位用 0 补完):
area |<------------------------------ entry ---------------------------------->| size 5 bytes ? ? ? +-------------------------------------------+----------+--------+---------+ component | pre_entry_length | encoding | length | content | | | | | | | 11111110 00000000000000000010011101100110 | ? | ? | ? | +-------------------------------------------+----------+--------+---------+ |<------->|<------------------------------->| 1 byte 4 bytes
encoding 和 length
encoding 和 length 两部分一起决定了 content 部分所保存的数据的类型(以及长度)。其中, encoding 域的长度为两个 bit , 它的值可以是 00 、 01 、 10 和 11 :
- 00, 01 和 10 表示 content 部分保存着 字符 数组
- 11 表示 content 部分保存着 整数
以 00 、 01 和 10 开头的字符数组的编码方式如下:
编码 | 编码长度 | content 部分保存的值 |
00bbbbbb | 1 byte | 长度小于等于 63 字节的字符数组 |
01bbbbbb xxxxxxxx | 2 byte | 长度小于等于 16383 字节的字符数组 |
10____ aaaaaaaa bbbbbbbb cccccccc dddddddd | 5 byte | 长度小于等于 4294967295 的字符数组 |
表格中的下划线 _ 表示留空,变量 b 、 x 等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
11 开头的整数编码如下:
编码 | 编码长度 | content 部分保存的值 |
11000000 | 1 byte | int16_t 类型的整数 |
11010000 | 1 byte | int32_t 类型的整数 |
11100000 | 1 byte | int64_t 类型的整数 |
11110000 | 1 byte | 24 bit 有符号整数 |
11111110 | 1 byte | 8 bit 有符号整数 |
1111xxxx | 1 byte | 4 bit 无符号整数,介于 0 至 12 之间 |
content
content 部分保存着节点的内容,类型和长度由 encoding 和 length 决定。以下是一个保存着字符数组 hello world 的节点的例子:
area |<---------------------- entry ----------------------->| size ? 2 bit 6 bit 11 byte +------------------+----------+--------+---------------+ component | pre_entry_length | encoding | length | content | | | | | | value | ? | 00 | 001011 | hello world | +------------------+----------+--------+---------------+
- encoding 域的值 00 表示节点保存着一个长度小于等于 63 字节的字符数组
- length 域给出了这个字符数组的准确长度 11 字节(的二进制 001011)
- content 则保存着字符数组值 hello world 本身(为了方便表示, content 部分使用字符而不是二进制表示)
以下是另一个节点,它保存着整数 10086 :
area |<---------------------- entry ----------------------->| size ? 2 bit 6 bit 2 bytes +------------------+----------+--------+---------------+ component | pre_entry_length | encoding | length | content | | | | | | value | ? | 11 | 000000 | 10086 | +------------------+----------+--------+---------------+
- encoding 域的值 11 表示节点保存的是一个整数
- 而 length 域的值 000000 表示这个节点的值的类型为 int16_t
- 最后, content 保存着整数值 10086 本身(为了方便表示, content 部分用十进制而不是二进制表示)
创建
函数 ziplistNew 用于创建一个新的空白 ziplist ,这个 ziplist 可以表示为下图:
area |<---- ziplist header ---->|<-- end -->| size 4 bytes 4 bytes 2 bytes 1 byte +---------+--------+-------+-----------+ component | zlbytes | zltail | zllen | zlend | | | | | | value | 1011 | 1010 | 0 | 1111 1111 | +---------+--------+-------+-----------+ ^ | ZIPLIST_ENTRY_HEAD & address ZIPLIST_ENTRY_TAIL & ZIPLIST_ENTRY_END
空白 ziplist 的表头、表尾和末端处于同一地址。创建了 ziplist 之后, 就可以往里面添加新节点了, 根据新节点添加位置的不同, 这个工作可以分为两类来进行:
- 将节点添加到 ziplist 末端:在这种情况下,新节点的后面没有任何节点
- 将节点添加到某个/某些节点的前面:在这种情况下,新节点的后面有至少一个节点
以下分别讨论这两种情况
添加
将节点添加到末端
将新节点添加到 ziplist 的末端需要执行以下步骤:
- 记录到达 ziplist 末端所需的偏移量(因为之后的内存重分配可能会改变 ziplist 的地址,因此记录偏移量而不是保存指针)
- 根据新节点要保存的值,计算出编码这个值所需的空间大小,以及编码它前一个节点的长度所需的空间大小,然后对 ziplist 进行内存重分配
- 设置新节点的各项属性: pre_entry_length 、 encoding 、 length 和 content
- 更新 ziplist 的各项属性,比如记录空间占用的 zlbytes ,到达表尾节点的偏移量 zltail ,以及记录节点数量的 zllen 。
举个例子,假设现在要将一个新节点添加到只含有一个节点的 ziplist 上,程序首先要执行步骤 1 ,定位 ziplist 的末端:
area |<---- ziplist header ---->|<--- entries -->|<-- end -->| size 4 bytes 4 bytes 2 bytes 5 bytes 1 bytes +---------+--------+-------+----------------+-----------+ component | zlbytes | zltail | zllen | entry 1 | zlend | | | | | | | value | 10000 | 1010 | 1 | ? | 1111 1111 | +---------+--------+-------+----------------+-----------+ ^ ^ | | address ZIPLIST_ENTRY_HEAD ZIPLIST_ENTRY_END & ZIPLIST_ENTRY_TAIL
然后执行步骤 2 ,程序需要计算新节点所需的空间。假设要添加到节点里的值为字符数组 hello world
- 那么保存这个值共需要 12 字节的空间:
- 11 字节用于保存字符数组本身;
- 另外 1 字节中的 2 bit 用于保存类型编码 00 (encoding), 而其余 6 bit 则保存字符数组长度 11 的二进制 001011 (length)
- 还需要 1 字节, 用于保存前一个节点的长度 5 (二进制 101)
合算起来,为了添加新节点, ziplist 总共需要多分配 13 字节 空间。 以下是分配完成之后, ziplist 的样子:
area |<---- ziplist header ---->|<------------ entries ------------>|<-- end -->| size 4 bytes 4 bytes 2 bytes 5 bytes 13 bytes 1 bytes +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+ component | zlbytes | zltail | zllen | entry 1 | entry 2 | zlend | | | | | | | | value | 10000 | 1010 | 1 | ? | pre_entry_length | 1111 1111 | | | | | | ? | | | | | | | | | | | | | | encoding | | | | | | | ? | | | | | | | | | | | | | | length | | | | | | | ? | | | | | | | | | | | | | | content | | | | | | | ? | | | | | | | | | +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+ ^ ^ | | address ZIPLIST_ENTRY_HEAD ZIPLIST_ENTRY_END & ZIPLIST_ENTRY_TAIL
步骤三,更新新节点的各项属性(为了方便表示, content 的内容使用字符而不是二进制来表示):
area |<---- ziplist header ---->|<------------ entries ------------>|<-- end -->| size 4 bytes 4 bytes 2 bytes 5 bytes 13 bytes 1 bytes +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+ component | zlbytes | zltail | zllen | entry 1 | entry 2 | zlend | | | | | | | | value | 10000 | 1010 | 1 | ? | pre_entry_length | 1111 1111 | | | | | | 101 | | | | | | | | | | | | | | encoding | | | | | | | 00 | | | | | | | | | | | | | | length | | | | | | | 001011 | | | | | | | | | | | | | | content | | | | | | | hello world | | | | | | | | | +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+ ^ ^ | | address ZIPLIST_ENTRY_HEAD ZIPLIST_ENTRY_END & ZIPLIST_ENTRY_TAIL
最后一步,更新 ziplist 的 zlbytes 、 zltail 和 zllen 属性:
area |<---- ziplist header ---->|<------------ entries ------------>|<-- end -->| size 4 bytes 4 bytes 2 bytes 5 bytes 13 bytes 1 bytes +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+ component | zlbytes | zltail | zllen | entry 1 | entry 2 | zlend | | | | | | | | value | 11101 | 1111 | 10 | ? | pre_entry_length | 1111 1111 | | | | | | 101 | | | | | | | | | | | | | | encoding | | | | | | | 00 | | | | | | | | | | | | | | length | | | | | | | 001011 | | | | | | | | | | | | | | content | | | | | | | hello world | | | | | | | | | +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+ ^ ^ ^ | | | address | ZIPLIST_ENTRY_TAIL ZIPLIST_ENTRY_END | ZIPLIST_ENTRY_HEAD
到这一步,添加新节点到表尾的工作正式完成
这里没有演示往空 ziplist 添加第一个节点的过程, 因为这个过程和上面演示的添加第二个节点的过程类似 而且因为第一个节点的存在, 添加第二个节点的过程可以更好地展示“将节点添加到表尾”这一操作的一般性
将节点添加到某个/某些节点的前面
比起将新节点添加到 ziplist 的末端, 将一个新节点添加到某个/某些节点的前面要复杂得多, 因为这种操作除了将新节点添加到 ziplist 以外, 还可能引起后续一系列节点的改变。举个例子,假设要将一个新节点 new 添加到节点 prev 和 next 之间:
add new entry here | V +----------+----------+----------+----------+----------+ | | | | | | | prev | next | next + 1 | next + 2 | ... | | | | | | |
程序首先为新节点扩大 ziplist 的空间:
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+ | | | | | | | | prev | ??? | next | next + 1 | next + 2 | ... | | | | | | | | +----------+----------+----------+----------+----------+----------+ |<-------->| expand space
然后设置 new 节点的各项值(到目前为止,一切都和前面介绍的添加操作一样)
set value, property, length, etc. | v +----------+----------+----------+----------+----------+----------+ | | | | | | | | prev | new | next | next + 1 | next + 2 | ... | | | | | | | | +----------+----------+----------+----------+----------+----------+
现在,新的 new 节点取代原来的 prev 节点, 成为了 next 节点的新前驱节点, 不过, 因为这时 next 节点的 pre_entry_length 域 编码的仍然是 prev 节点的长度, 所以程序需要将 new 节点的长度编码进 next 节点的 pre_entry_length 域里, 这里会出现三种可能:
- next 的 pre_entry_length 域的长度正好能够编码 new 的长度(都是 1 字节或者都是 5 字节): 程序直接更新 next 的 pre_entry_length 域
next 的 pre_entry_length 只有 1 字节长,但编码 new 的长度需要 5 字节:
如果是第二种情况, 那么程序必须对 ziplist 进行内存重分配, 从而扩展 next 的空间 然而,因为 next 的空间长度改变了, 所以程序又必须检查 next 的后继节点 next+1 看它的 pre_entry_length 能否编码 next 的新长度, 如果不能的话,程序又需要继续对 next+1 进行扩容。。。
- next 的 pre_entry_length 有 5 字节长,但编码 new 的长度只需要 1 字节: 程序直接更新 next 的 pre_entry_length 域
在某个/某些节点的前面添加新节点之后, 程序必须沿着路径挨个检查后续的节点,是否满足新长度的编码要求, 直到遇到一个能满足要求的节点(如果有一个能满足,则这个节点之后的其他节点也满足), 或者到达 ziplist 的末端 zlend 为止, 这种检查操作的复杂度为 \(\theta(N^{2})\)
不过,因为只有在新添加节点的后面有连续多个长度接近 254 的节点时, 这种连锁更新才会发生 所以可以普遍地认为, 这种连锁更新发生的概率非常小, 在一般情况下, 将添加操作看成是 O(N) 复杂度也是可以的
执行完这三种情况的其中一种后, 程序更新 ziplist 的各项属性, 至此,添加操作完成
在第三种情况中,程序实际上是可以执行类似于情况二的动作的: 它可以挨个地检查新节点之后的节点, 尝试收缩它们的空间长度 不过 Redis 决定不这么做, 因为在一些情况下,比如前面提到的,有连续多个长度接近 254 的节点时 可能会出现重复的扩展,收缩再扩展,再收缩的抖动效果, 这会让操作的性能变得非常差
删除
删除节点和添加操作的步骤类似:
定位目标节点,并计算节点的空间长度 target - size:
target start here | V +----------+----------+----------+----------+----------+----------+ | | | | | | | | prev | target | next | next + 1 | next + 2 | ... | | | | | | | | +----------+----------+----------+----------+----------+----------+ |<-------->| target-size
进行内存移位,覆盖 target 原本的数据,然后通过内存重分配,收缩多余空间:
target start here | V +----------+----------+----------+----------+----------+ | | | | | | | prev | next | next + 1 | next + 2 | ... | | | | | | | +----------+----------+----------+----------+----------+ | <------------------------------------------ memmove
检查 next 、 next+1 等后续节点能否满足新前驱节点的编码
和添加操作一样,删除操作也可能会引起连锁更新
遍历
可以对 ziplist 进行从前向后的遍历,或者从后先前的遍历
当进行从前向后的遍历时, 程序从指向节点 e1 的指针 p 开始, 计算节点 e1 的长度 e1 - size , 然后将 p 加上 e1 - size , 就将指针后移到了下一个节点 e2 。。。 如此反覆,直到 p 遇到 ZIPLIST_ENTRY_END 为止, 这样整个 ziplist 就遍历完了:
p + e1-size + e2-size p + e1-size | p | | | | | V V V +----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+ | ZIPLIST | | | | | | ZIPLIST | | ENTRY | e1 | e2 | e3 | e4 | ... | ENTRY | | HEAD | | | | | | END | +----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+ |<-------->|<-------->| e1-size e2-size
当进行从后往前遍历的时候, 程序从指向节点 eN 的指针 p 出发, 取出 eN 的 pre_entry_length 值, 然后用 p - pre_entry_length , 这就将指针移动到了前一个节点 eN-1 。。。 如此反覆,直到 p 遇到 ZIPLIST_ENTRY_HEAD 为止, 这样整个 ziplist 就遍历完了:
p - eN.pre_entry_length | | p | | V V +----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+ | ZIPLIST | | | | | | ZIPLIST | | ENTRY | e1 | e2 | ... | eN-1 | eN | ENTRY | | HEAD | | | | | | END |
查找
查找元素、根据值定位节点,这两个操作和遍历的原理基本相同,不再赘述
总结
- ziplist 是由一系列特殊编码的内存块构成的列表,可以保存字符数组或整数值,同时是哈希键、列表键和有序集合键的底层实现之一
ziplist 典型分布结构如下:
area |<---- ziplist header ---->|<----------- entries ------------->|<-end->| size 4 bytes 4 bytes 2 bytes ? ? ? ? 1 byte +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+ component | zlbytes | zltail | zllen | entry1 | entry2 | ... | entryN | zlend | +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+ ^ ^ ^ address | | | ZIPLIST_ENTRY_HEAD | ZIPLIST_ENTRY_END | ZIPLIST_ENTRY_TAIL
ziplist 节点的分布结构如下:
area |<------------------- entry -------------------->| +------------------+----------+--------+---------+ component | pre_entry_length | encoding | length | content | +------------------+----------+--------+---------+
添加和删除 ziplist 节点有可能会引起连锁更新,因此,添加和删除操作的最坏复杂度为 \(\theta(N^2)\)
不过,因为连锁更新的出现概率并不高,所以一般可以将添加和删除操作的复杂度视为 O(N)
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