Redis 的底层实现原理是什么？包括哪些核心数据结构和机制？ - 面试题

Redis 的底层实现原理是理解 Redis 高性能的关键，主要包括数据结构、网络模型、内存管理等核心内容。

1. SDS（Simple Dynamic String）

基本概念： SDS 是 Redis 中字符串的底层实现，是对 C 语言字符串的封装。

SDS 结构：

c
struct sdshdr {
    int len;        // 字符串长度
    int free;       // 剩余可用空间
    char buf[];     // 字节数组
};

SDS 优势：

O(1) 时间复杂度获取字符串长度：C 语言字符串需要遍历整个字符串才能获取长度，时间复杂度为 O(n)
避免缓冲区溢出：SDS 会检查剩余空间，空间不足时会自动扩容
减少内存重分配次数：SDS 使用空间预分配和惰性释放策略，减少内存重分配次数
二进制安全：SDS 可以存储任意二进制数据，包括 '\0' 字符
兼容 C 语言字符串函数：SDS 遵循 C 语言字符串以 '\0' 结尾的惯例

空间预分配策略：

当 SDS 长度小于 1MB 时，扩容时会分配 2 倍的长度
当 SDS 长度大于等于 1MB 时，扩容时会分配 1MB 的额外空间

2. 链表

基本概念： Redis 的链表是双向链表，用于实现 List、发布订阅、慢查询等功能。

链表结构：

c
typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;   // 前置节点
    struct listNode *next;   // 后置节点
    void *value;             // 节点值
} listNode;

typedef struct list {
    listNode *head;          // 表头节点
    listNode *tail;          // 表尾节点
    unsigned long len;       // 链表长度
    void *(*dup)(void *ptr); // 节点值复制函数
    void (*free)(void *ptr); // 节点值释放函数
    int (*match)(void *ptr, void *key); // 节点值比较函数
} list;

链表特点：

双向链表：可以方便地进行前后遍历
无环链表：表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL
带表头表尾指针：可以快速获取表头和表尾节点
带链表长度计数器：可以快速获取链表长度
多态：链表节点可以存储不同类型的值

3. 字典（Dict）

基本概念：字典是 Redis 中 Hash 的底层实现，使用哈希表实现。

字典结构：

c
typedef struct dictht {
    dictEntry **table;       // 哈希表数组
    unsigned long size;      // 哈希表大小
    unsigned long sizemask;  // 哈希表大小掩码，用于计算索引
    unsigned long used;      // 已有节点数量
} dictht;

typedef struct dictEntry {
    void *key;               // 键
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
    } v;                     // 值
    struct dictEntry *next;  // 指向下一个哈希表节点，形成链表
} dictEntry;

typedef struct dict {
    dictType *type;          // 类型特定函数
    void *privdata;          // 私有数据
    dictht ht[2];            // 两个哈希表，用于 rehash
    int rehashidx;           // rehash 索引，-1 表示没有进行 rehash
} dict;

哈希算法： Redis 使用 MurmurHash2 算法计算哈希值，然后使用 hash & sizemask 计算索引。

哈希冲突解决： Redis 使用链地址法解决哈希冲突，即每个哈希表节点都有一个 next 指针，指向下一个哈希表节点。

Rehash 过程：

为 ht[1] 分配空间，大小为第一个大于等于 ht[0].used * 2 的 2^n
将 ht[0] 中的所有键值对 rehash 到 ht[1]
释放 ht[0]，将 ht[1] 设置为 ht[0]，ht[1] 创建一个空白哈希表

渐进式 Rehash：为了避免 rehash 对性能的影响，Redis 使用渐进式 rehash，即分多次将 ht[0] 中的键值对 rehash 到 ht[1]。

4. 跳跃表（Skip List）

基本概念：跳跃表是 Redis 中 ZSet 的底层实现，是一种有序数据结构。

跳跃表结构：

c
typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;                 // 成员对象
    double score;            // 分值
    struct zskiplistNode *backward; // 后退指针
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward; // 前进指针
        unsigned long span;   // 跨度
    } level[];               // 层
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail; // 表头和表尾节点
    unsigned long length;    // 跳跃表长度
    int level;               // 跳跃表最大层数
} zskiplist;

跳跃表特点：

多层结构：跳跃表有多层，最底层包含所有元素，上层是下层的子集
有序性：跳跃表中的元素按照 score 从小到大排序
查找效率高：跳跃表的查找时间复杂度为 O(log n)
空间换时间：跳跃表通过多层结构提高查找效率，但会占用更多空间

5. 整数集合（IntSet）

基本概念：整数集合是 Redis 中 Set 的底层实现之一，用于存储整数。

整数集合结构：

c
typedef struct intset {
    uint32_t encoding;       // 编码方式
    uint32_t length;         // 集合包含的元素数量
    int8_t contents[];       // 保存元素的数组
} intset;

整数集合特点：

有序性：整数集合中的元素按照从小到大排序
唯一性：整数集合中的元素都是唯一的
升级机制：当新元素的类型比当前编码类型大时，会自动升级编码类型

升级过程：

根据新元素的类型，扩展整数集合的底层空间
将原有元素转换为新类型，并放到正确的位置
将新元素添加到整数集合中

6. 压缩列表（ZipList）

基本概念：压缩列表是 Redis 中 List、Hash、ZSet 的底层实现之一，用于存储少量元素。

压缩列表结构：

shell
<zlbytes><zltail><zllen><entry><entry>...<zlend>

压缩列表特点：

紧凑存储：压缩列表使用连续内存空间，存储紧凑
节省内存：压缩列表没有指针和额外开销，节省内存
查找效率低：压缩列表的查找时间复杂度为 O(n)
更新效率低：压缩列表的更新可能需要内存重分配

压缩列表转换：当压缩列表的元素数量或大小超过阈值时，会转换为其他数据结构：

List 转换为 linkedlist 或 quicklist
Hash 转换为 hashtable
ZSet 转换为 skiplist

7. I/O 多路复用

基本概念： Redis 使用 I/O 多路复用模型，可以同时处理多个客户端连接。

I/O 多路复用模型： Redis 使用 epoll（Linux）、kqueue（BSD）、select（Windows）等 I/O 多路复用函数。

工作流程：

Redis 服务器创建 socket，绑定端口，监听连接
使用 epoll_ctl 将 socket 添加到 epoll 实例中
使用 epoll_wait 等待事件发生
当有事件发生时，epoll_wait 返回，处理事件

优势：

高并发：可以同时处理多个客户端连接
非阻塞：不会因为某个客户端的阻塞而影响其他客户端
高效：使用事件驱动模型，效率高

8. 事件循环

基本概念： Redis 使用事件循环模型，处理文件事件和时间事件。

文件事件：文件事件是 Redis 服务器对 socket 操作的抽象，包括可读事件和可写事件。

时间事件：时间事件是 Redis 服务器对定时操作的抽象，包括定时任务和周期性任务。

事件循环流程：

c
void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
    eventLoop->stop = 0;
    while (!eventLoop->stop) {
        // 处理文件事件
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS);
        
        // 处理时间事件
        processTimeEvents(eventLoop);
    }
}

9. 内存管理

内存分配器： Redis 使用 jemalloc 作为内存分配器，jemalloc 是一个高性能的内存分配器。

内存碎片： Redis 使用 jemalloc 的内存碎片整理功能，减少内存碎片。

内存统计： Redis 使用 INFO memory 命令查看内存使用情况，包括 used_memory、used_memory_rss、used_memory_peak 等指标。

总结

Redis 的底层实现原理包括 SDS、链表、字典、跳跃表、整数集合、压缩列表等数据结构，以及 I/O 多路复用、事件循环、内存管理等机制。这些底层实现保证了 Redis 的高性能和高可靠性。理解这些底层实现原理，有助于更好地使用 Redis 和优化 Redis 的性能。