.. _object_chapter: 对象处理机制 ================================ 在 Redis 的命令中，用于对键（key）进行处理的命令占了很大一部分， 而对于键所保存的值的类型（后简称“键的类型”），键能执行的命令又各不相同。 比如说， :ref:`LPUSH` 和 :ref:`LLEN` 只能用于列表键， 而 :ref:`SADD` 和 :ref:`SRANDMEMBER` 只能用于集合键， 等等。 另外一些命令， 比如 :ref:`DEL` 、 :ref:`TTL` 和 :ref:`TYPE` ， 可以用于任何类型的键， 但是， 要正确实现这些命令， 必须为不同类型的键设置不同的处理方式： 比如说， 删除一个列表键和删除一个字符串键的操作过程就不太一样。 以上的描述说明，Redis 必须让每个键都带有类型信息， 使得程序可以检查键的类型， 并为它选择合适的处理方式。 另外，在前面介绍各个底层数据结构时有提到， Redis 的每一种数据类型，比如字符串、列表、有序集， 它们都拥有不只一种底层实现（Redis 内部称之为编码，encoding）， 这说明， 每当对某种数据类型的键进行操作时， 程序都必须根据键所采取的编码， 进行不同的操作。 比如说， 集合类型就可以由字典和整数集合两种不同的数据结构实现， 但是， 当用户执行 :ref:`ZADD` 命令时， 他/她应该不必关心集合使用的是什么编码， 只要 Redis 能按照 :ref:`ZADD` 命令的指示， 将新元素添加到集合就可以了。 这说明，操作数据类型的命令除了要对键的类型进行检查之外， 还需要根据数据类型的不同编码进行多态处理。 为了解决以上问题， Redis 构建了自己的类型系统， 这个系统的主要功能包括： * ``redisObject`` 对象。 * 基于 ``redisObject`` 对象的类型检查。 * 基于 ``redisObject`` 对象的显式多态函数。 * 对 ``redisObject`` 进行分配、共享和销毁的机制。 以下小节将分别介绍类型系统的这几个方面。 .. note:: 因为 C 并不是面向对象语言，这里将 ``redisObject`` 称呼为对象一是为了讲述的方便， 二是希望通过模仿 OOP 的常用术语，让这里的内容更容易被理解， ``redisObject`` 实际上是只是一个结构类型。 redisObject 数据结构，以及 Redis 的数据类型 --------------------------------------------------- ``redisObject`` 是 Redis 类型系统的核心， 数据库中的每个键、值，以及 Redis 本身处理的参数， 都表示为这种数据类型。 ``redisObject`` 的定义位于 ``redis.h`` ： :: /* * Redis 对象 */ typedef struct redisObject { // 类型 unsigned type:4; // 对齐位 unsigned notused:2; // 编码方式 unsigned encoding:4; // LRU 时间（相对于 server.lruclock） unsigned lru:22; // 引用计数 int refcount; // 指向对象的值 void *ptr; } robj; ``type`` 、 ``encoding`` 和 ``ptr`` 是最重要的三个属性。 ``type`` 记录了对象所保存的值的类型，它的值可能是以下常量的其中一个（定义位于 ``redis.h``\ ）： :: /* * 对象类型 */ #define REDIS_STRING 0 // 字符串 #define REDIS_LIST 1 // 列表 #define REDIS_SET 2 // 集合 #define REDIS_ZSET 3 // 有序集 #define REDIS_HASH 4 // 哈希表 ``encoding`` 记录了对象所保存的值的编码，它的值可能是以下常量的其中一个（定义位于 ``redis.h``\ ）： :: /* * 对象编码 */ #define REDIS_ENCODING_RAW 0 // 编码为字符串 #define REDIS_ENCODING_INT 1 // 编码为整数 #define REDIS_ENCODING_HT 2 // 编码为哈希表 #define REDIS_ENCODING_ZIPMAP 3 // 编码为 zipmap #define REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 4 // 编码为双端链表 #define REDIS_ENCODING_ZIPLIST 5 // 编码为压缩列表 #define REDIS_ENCODING_INTSET 6 // 编码为整数集合 #define REDIS_ENCODING_SKIPLIST 7 // 编码为跳跃表 ``ptr`` 是一个指针，指向实际保存值的数据结构，这个数据结构由 ``type`` 属性和 ``encoding`` 属性决定。 举个例子，如果一个 ``redisObject`` 的 ``type`` 属性为 ``REDIS_LIST`` ， ``encoding`` 属性为 ``REDIS_ENCODING_LINKEDLIST`` ，那么这个对象就是一个 Redis 列表，它的值保存在一个双端链表内，而 ``ptr`` 指针就指向这个双端链表； 另一方面，如果一个 ``redisObject`` 的 ``type`` 属性为 ``REDIS_HASH`` ， ``encoding`` 属性为 ``REDIS_ENCODING_ZIPMAP`` ，那么这个对象就是一个 Redis 哈希表，它的值保存在一个 ``zipmap`` 里，而 ``ptr`` 指针就指向这个 ``zipmap`` ；诸如此类。 下图展示了 ``redisObject`` 、Redis 所有数据类型、以及 Redis 所有编码方式（底层实现）三者之间的关系： .. graphviz:: image/datatype.dot 这个图展示了 Redis 各种数据类型，以及它们的编码方式。 .. note:: ``REDIS_ENCODING_ZIPMAP`` 没有出现在图中， 因为从 Redis 2.6 开始， 它不再是任何数据类型的底层结构。 命令的类型检查和多态 ----------------------- 有了 ``redisObject`` 结构的存在， 在执行处理数据类型的命令时， 进行类型检查和对编码进行多态操作就简单得多了。 当执行一个处理数据类型的命令时， Redis 执行以下步骤： 1. 根据给定 ``key`` ，在数据库字典中查找和它相对应的 ``redisObject`` ，如果没找到，就返回 ``NULL`` 。 2. 检查 ``redisObject`` 的 ``type`` 属性和执行命令所需的类型是否相符，如果不相符，返回类型错误。 3. 根据 ``redisObject`` 的 ``encoding`` 属性所指定的编码，选择合适的操作函数来处理底层的数据结构。 4. 返回数据结构的操作结果作为命令的返回值。 作为例子，以下展示了对键 ``key`` 执行 ``LPOP`` 命令的完整过程： .. graphviz:: image/command_poly.dot 对象共享 ----------- 有一些对象在 Redis 中非常常见， 比如命令的返回值 ``OK`` 、 ``ERROR`` 、 ``WRONGTYPE`` 等字符， 另外，一些小范围的整数，比如个位、十位、百位的整数都非常常见。 为了利用这种常见情况， Redis 在内部使用了一个 `Flyweight 模式 `_ ： 通过预分配一些常见的值对象， 并在多个数据结构之间共享这些对象， 程序避免了重复分配的麻烦， 也节约了一些 CPU 时间。 Redis 预分配的值对象有如下这些： - 各种命令的返回值，比如执行成功时返回的 ``OK`` ，执行错误时返回的 ``ERROR`` ，类型错误时返回的 ``WRONGTYPE`` ，命令入队事务时返回的 ``QUEUED`` ，等等。 - 包括 ``0`` 在内，小于 ``redis.h/REDIS_SHARED_INTEGERS`` 的所有整数（\ ``REDIS_SHARED_INTEGERS`` 的默认值为 ``10000``\ ） 因为命令的回复值直接返回给客户端， 所以它们的值无须进行共享； 另一方面， 如果某个命令的输入值是一个小于 ``REDIS_SHARED_INTEGERS`` 的整数对象， 那么当这个对象要被保存进数据库时， Redis 就会释放原来的值， 并将值的指针指向共享对象。 作为例子，下图展示了三个列表，它们都带有指向共享对象数组中某个值对象的指针： .. graphviz:: image/shared_integer.dot 三个列表的值分别为： - 列表 A ： ``[20130101, 300, 10086]`` ， - 列表 B ： ``[81, 12345678910, 999]`` ， - 列表 C ： ``[100, 0, -25, 123]`` 。 .. note:: 共享对象只能被带指针的数据结构使用。 需要提醒的一点是， 共享对象只能被字典和双端链表这类能带有指针的数据结构使用。 像整数集合和压缩列表这些只能保存字符串、整数等字面值的内存数据结构， 就不能使用共享对象。 引用计数以及对象的销毁 --------------------------- 当将 ``redisObject`` 用作数据库的键或者值， 而不是用来储存参数时， 对象的生命期是非常长的， 因为 C 语言本身没有自动释放内存的相关机制， 如果只依靠程序员的记忆来对对象进行追踪和销毁， 基本是不太可能的。 另一方面，正如前面提到的，一个共享对象可能被多个数据结构所引用， 这时像是“这个对象被引用了多少次？”之类的问题就会出现。 为了解决以上两个问题， Redis 的对象系统使用了\ `引用计数 `_\ 技术来负责维持和销毁对象， 它的运作机制如下： - 每个 ``redisObject`` 结构都带有一个 ``refcount`` 属性，指示这个对象被引用了多少次。 - 当新创建一个对象时，它的 ``refcount`` 属性被设置为 ``1`` 。 - 当对一个对象进行共享时，Redis 将这个对象的 ``refcount`` 增一。 - 当使用完一个对象之后，或者取消对共享对象的引用之后，程序将对象的 ``refcount`` 减一。 - 当对象的 ``refcount`` 降至 ``0`` 时，这个 ``redisObject`` 结构，以及它所引用的数据结构的内存，都会被释放。 小结 ------- - Redis 使用自己实现的对象机制来实现类型判断、命令多态和基于引用计数的垃圾回收。 - 一种 Redis 类型的键可以有多种底层实现。 - Redis 会预分配一些常用的数据对象，并通过共享这些对象来减少内存占用，和避免频繁地为小对象分配内存。