Redis 数据结构 之 SDS

SDS(simple dynamic string)，简单动态字符串。s同时它被称为 Hacking String。hack 的地方就在 sds 保存了字符串的长度以及剩余空间。sds 的实现在 sds.c 中。

C语言字符串使用长度为n+1的字符数组来表示长度为n的字符串，并且字符数组的最后一个元素总是空字符""，这样的方式存储，时存在安全隐患的，并且它不能满足效率方面的需求。

因此Redis没有使用C原生的string而是自己构建了SDS。在Redis里，C语言字符串只用于一些无须对字符串值进行修改的地方，比如：日志。

在Redis中，包含字符串值的键值对都是使用SDS实现的，除此之外，SDS还被用于AOF缓冲区、客户端状态的输入缓冲区。

SDS定义

struct sdshdr{
     //字节数组
     char buf[]; 
     //buf数组中已使用字节数量
     int len;
     //buf数组中未使用字节数量
     int free;
}

如上图所示，len表示该SDS保存了一个6字节长度（不包含结束符）的字符串，free表示该SDS还有6个字节的未使用空间，buf是一个char类型的数组 ，保存了该SDS所存储的字符串值。

高效

相比C语言字符串，使获取字符串长度时间复杂度降为O(1)而C原生的获取长度为O(N) 遍历整个数组。

安全

同时SDS杜绝缓冲区溢出，不会像C那样造成数组数据不安全，绝对不会越界。

当需要对SDS进行修改时，api会先检查SDS当前剩余空间是否满足修改之后所需的空间，如果不满足的话API会自动将SDS的空间扩展至足够用的空间然后才进行下一步操作，所以SDS不会出现缓冲区溢出问题。

减少内存分配

C语言字原生符串底层是使用一个n+1个字符长度的char类型数据实现的，所以每次增长或缩短一个原生字符串，程序都要对这个字符串数组进行一次内存重分配操作：

同时因为内存重分配涉及复杂的算法，并且可能需要执行系统调用，所以它通常是一个比较耗时的操作。Redis经常被用于速度要求严苛、数据被频繁修改的场合，如果每次修改字符串都需要执行一次内存重分配的话，那么对于性能会造成很大影响。

SDS 在分配了内存之后（往往空间会存在盈余，也就是空间的预分配），然后自己通过len 和 free 来维护已使用的和未使用的内存，不再依赖系统来重新划分，这样能有效的提升性能。

空间预分配

用于字符串增长操作，当字符串增长时，程序会先检查需不需要对SDS空间进行扩展，如果需要扩展，程序不仅会为SDS分配修改所必要的空间，还会为SDS分配额外的未使用空间，额外分配的未使用空间公式如下：

SDS空间 < 1MB

如果对SDS修改之后，SDS的长度（修改之后len属性的值）小于1MB，那么则分配和len属性同样大小的未使用空间，这时SDS的len属性和free属性的值相同。如：如果修改之后SDS的len将变为10字节，那么程序也会分配10字节的未使用空间，SDS的buf数组实际长度变为10 + 10 + 1 = 21（额外一个字节用于保存结束符 ）

SDS空间 > 1MB

如果对SDS修改之后，SDS的长度大于等于1MB，那么程序会分配1MB的未使用空间。如：修改之后的len将变为10MB，那么程序会分配1MB的未使用空间，SDS的bug数组长度为10MB + 1MB + 1byte

SDS空间 > 512MB

Game over~ 报错！

惰性空间释放

用于优化SDS的字符串收缩操作，当字符串收缩时，程序不会立即执行内存重分配来回收收缩后内存多出来的空间，而是使用free属性记录下来，以备将来使用。

通过空间预分配，Redis可以减少连续执行字符串增长操作所需的内存重分配次数，通过惰性空间释放，SDS避免了缩短字符串时所需的内存重分配操作，并为将来由可能的增长操作提供了优化。