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， LPUSH 和 LLEN 只能用于列表键， 而 SADD 和 SRANDMEMBER 只能用于集合键， 等等。

另外一些命令， 比如 DEL 、 TTL 和 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 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 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。

备注

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：

这个图展示了 Redis 各种数据类型，以及它们的编码方式。

备注

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：

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：

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] 。

备注

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。