Redis原始碼剖析之robj(redisObject)

我們在之前的文章中已經了解過一部分Redis的資料結構了，尤其是dict 中講到，可以把redis看做一個hashtable，存盤了一堆的key-value，今天就來看下key-value中value的主要存盤結構redisObject(后文統稱robj)，
robj的詳細代碼見object.c

欄位詳解

相對與其他幾個資料結構，robj相對簡單，因為只包含了幾個欄位，含義都很明確，

typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;       // 資料型別  integer  string  list  set
    unsigned encoding:4;
    unsigned lru:LRU_BITS; /* LRU time (relative to global lru_clock) or
                            * LFU data (least significant 8 bits frequency
                            * and most significant 16 bits access time). 
                            * redis用24個位來保存LRU和LFU的資訊，當使用LRU時保存上次
                            * 讀寫的時間戳(秒),使用LFU時保存上次時間戳(16位 min級) 保存近似統計數8位 */
    int refcount;          // 參考計數 
    void *ptr;              // 指標指向具體存盤的值，型別用type區分
} robj;

核心就五個欄位，我們分別來介紹下，

type(4位)

type是表示當然robj里所存盤的資料型別，目前redis中包含以下幾種型別，

encoding(4位)

編碼方式，如果說每個型別只有一種方式，那么其實type和encoding兩個欄位只需要保留一個即可，但redis為了在各種情況下盡可能介紹記憶體，對每種型別的資料在不同情況下有不同的編碼格式，所以這里需要用額外的欄位標識出來，目前有以下幾種編碼(redis 6.2)，

這里有個OBJ_ENCODING_EMBSTR，這里著重介紹下，

robj *createEmbeddedStringObject(const char *ptr, size_t len) {
    robj *o = zmalloc(sizeof(robj)+sizeof(struct sdshdr8)+len+1);
    struct sdshdr8 *sh = (void*)(o+1);

    o->type = OBJ_STRING;
    o->encoding = OBJ_ENCODING_EMBSTR;
    o->ptr = sh+1;
    o->refcount = 1;
    if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
        o->lru = (LFUGetTimeInMinutes()<<8) | LFU_INIT_VAL;
    } else {
        o->lru = LRU_CLOCK();
    }

    sh->len = len;
    sh->alloc = len;
    sh->flags = SDS_TYPE_8;
    if (ptr == SDS_NOINIT)
        sh->buf[len] = '\0';
    else if (ptr) {
        memcpy(sh->buf,ptr,len);
        sh->buf[len] = '\0';
    } else {
        memset(sh->buf,0,len+1);
    }
    return o;
}

從上面代碼就可以看出，它是robj和sds的一個結合，將sds直接放在robj里，這里限制最多可以存放44位元組長度的字串，因為robj占16位元組，sdshdr8頭占3位元組，'\0'一個位元組，限制字串最長為44就可以保證在64個位元組里存放下所有內容 （16+3+1+44==64），

lru(24位)

眾所周知，redis提供了過期資料自動淘汰的策略，如何知道資料是否已經過期？按照什么樣的策略淘汰資料？這倆問題的答案都和 lru 這個欄位有關，redis給了lru這個欄位24位，但千萬別以為欄位名叫lru就認為它只是LRU淘汰策略中才會使用的，其實LFU用的也是這個欄位， 我估計是redis作者先寫了lru策略，所以直接就叫lru了，后來再加lfu策略的時候直接復用這個欄位了，
lru欄位在不同淘汰策略時有不同的含義，當使用LRU時，它就是一個24位的秒級unix時間戳，代表這個資料在第多少秒被更新過， 但使用LFU策略時，24位會被分為兩部分，16位的分鐘級時間戳和8位的特殊計數器，這里就不再詳解了，更具體可以關注我后續的博文，

refcount

參考計數，表示這個robj目前被多少個地方應用，refcount的出現為物件復用提供了基礎，了解過垃圾回收的同學都知道有中回收策略就是采用計數器的方式，當refcount為0時，說明該物件已經沒用了，就可以被回收掉了，redis的作者也實作了這種參考回收的策略，

*ptr

這個就很簡單了，前面幾個欄位是為當然robj提供meta資訊，那這個欄位就是資料具體所在地址，

robj的編解碼

redis向來將記憶體空間節省做到了極致，這里redis的作者又對字串型別的robj做了特殊的編碼處理，以達到節省記憶體的目的，編碼程序的代碼及注釋如下：

/* 將string型別的robj做特殊編碼，以節省存盤空間  */
robj *tryObjectEncoding(robj *o) {
    long value;
    sds s = o->ptr;
    size_t len;

    /* Make sure this is a string object, the only type we encode
     * in this function. Other types use encoded memory efficient
     * representations but are handled by the commands implementing
     * the type. 
     * 這里只編碼string物件，其他型別的的編碼都由其對應的實作處理 */
    serverAssertWithInfo(NULL,o,o->type == OBJ_STRING);

    /* We try some specialized encoding only for objects that are
     * RAW or EMBSTR encoded, in other words objects that are still
     * in represented by an actually array of chars.
     * 非sds string直接回傳原資料 */
    if (!sdsEncodedObject(o)) return o;

    /* It's not safe to encode shared objects: shared objects can be shared
     * everywhere in the "object space" of Redis and may end in places where
     * they are not handled. We handle them only as values in the keyspace. 
     * 如果是共享的物件，不能編碼，因為可能會影響到其他地方的使用*/
     if (o->refcount > 1) return o;

    /* Check if we can represent this string as a long integer.
     * Note that we are sure that a string larger than 20 chars is not
     * representable as a 32 nor 64 bit integer. 
     * 檢查是否可以把字串表示為一個長整型數，注意如果長度大于20個字符的字串是
     * 不能被表示為32或者64位的整數的*/
    len = sdslen(s);
    if (len <= 20 && string2l(s,len,&value)) {
        /* This object is encodable as a long. Try to use a shared object.
         * Note that we avoid using shared integers when maxmemory is used
         * because every object needs to have a private LRU field for the LRU
         * algorithm to work well. 
         * 如果可以被編碼為long型，且編碼后的值小于OBJ_SHARED_INTEGERS(10000)，且未配
         * 置LRU替換淘汰策略, 就使用這個數的共享物件，相當于所有小于10000的數都是用的同一個robj*/
        if ((server.maxmemory == 0 ||
            !(server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_NO_SHARED_INTEGERS)) &&
            value >= 0 &&
            value < OBJ_SHARED_INTEGERS)
        {
            decrRefCount(o);
            incrRefCount(shared.integers[value]);
            return shared.integers[value];
        } else {
            /* 否則原來如果是RAW型別，直接轉為OBJ_ENCODING_INT型別，然后用long來直接存盤字串 */    
            if (o->encoding == OBJ_ENCODING_RAW) {
                sdsfree(o->ptr);
                o->encoding = OBJ_ENCODING_INT;
                o->ptr = (void*) value;
                return o;
            /*如果是OBJ_ENCODING_EMBSTR，也會轉化為OBJ_ENCODING_INT，并用long存盤字串*/
            } else if (o->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR) {
                decrRefCount(o);
                return createStringObjectFromLongLongForValue(value);
            }
        }
    }
    // 對于那些無法轉為long的字串，做如下處理

    /* If the string is small and is still RAW encoded,
     * try the EMBSTR encoding which is more efficient.
     * In this representation the object and the SDS string are allocated
     * in the same chunk of memory to save space and cache misses. 
     * 如果字串太小，長度小于等于44，直接轉為OBJ_ENCODING_EMBSTR*/
    if (len <= OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT) {
        robj *emb;

        if (o->encoding == OBJ_ENCODING_EMBSTR) return o;
        emb = createEmbeddedStringObject(s,sdslen(s));
        decrRefCount(o);
        return emb;
    }

    /* We can't encode the object...
     *
     * Do the last try, and at least optimize the SDS string inside
     * the string object to require little space, in case there
     * is more than 10% of free space at the end of the SDS string.
     *
     * We do that only for relatively large strings as this branch
     * is only entered if the length of the string is greater than
     * OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT. 
     * 
     * 如果前面沒有編碼成功，這里做最后一次嘗試，如果sds有超過10%的可用空閑空間，
     * 且字符長度大于OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT(44)那嘗試釋放sds中多余
     * 的空間以節省記憶體，
     **/
    trimStringObjectIfNeeded(o);

    /* 直接回傳原始物件. */
    return o;
}

1. 檢查是否是字串，如果不是直接回傳，
2. 檢查是否是共享物件(refcount > 1)，被共享的物件不做編碼，
3. 如果字串長度小于等于20，直接可以編碼為一個long型的整數，這里小于10000的long物件都是共享的，
4. 如果字串長度小于等于44，直接用OBJ_ENCODING_EMBSTR存盤，
5. 如果沒有被編碼，且字串長度超過44，且sds中的空閑空間超過10%，則清除空閑空間，以節省記憶體，

當然有編碼就有解碼，代碼及如下，相對比較簡單：

/* Get a decoded version of an encoded object (returned as a new object).
 * If the object is already raw-encoded just increment the ref count.
 * 獲取解碼后的物件(回傳的是有個新物件)，如果這個物件是個原始型別，只是把參考加一， */
robj *getDecodedObject(robj *o) {
    robj *dec;

    if (sdsEncodedObject(o)) {
        incrRefCount(o);
        return o;
    }
    if (o->type == OBJ_STRING && o->encoding == OBJ_ENCODING_INT) {
        char buf[32];

        ll2string(buf,32,(long)o->ptr);
        dec = createStringObject(buf,strlen(buf));
        return dec;
    } else {
        serverPanic("Unknown encoding type");
    }
}

參考計數和自動清理

上文已經說到了，redis為了節省空間，會復用一些物件，沒有參考的物件會被自動清理，作者用了參考計數的方式來實作gc，代碼也比較簡單，如下：

void incrRefCount(robj *o) {
    if (o->refcount < OBJ_FIRST_SPECIAL_REFCOUNT) {
        o->refcount++;
    } else {
        if (o->refcount == OBJ_SHARED_REFCOUNT) {
            /* Nothing to do: this refcount is immutable. */
        } else if (o->refcount == OBJ_STATIC_REFCOUNT) {
            serverPanic("You tried to retain an object allocated in the stack");
        }
    }
}
/* 減少參考計數，如果沒有參考了就釋放記憶體空間 */
void decrRefCount(robj *o) {
    // 清理空間 
    if (o->refcount == 1) {
        switch(o->type) {
        case OBJ_STRING: freeStringObject(o); break;
        case OBJ_LIST: freeListObject(o); break;
        case OBJ_SET: freeSetObject(o); break;
        case OBJ_ZSET: freeZsetObject(o); break;
        case OBJ_HASH: freeHashObject(o); break;
        case OBJ_MODULE: freeModuleObject(o); break;
        case OBJ_STREAM: freeStreamObject(o); break;
        default: serverPanic("Unknown object type"); break;
        }
        zfree(o);
    } else {
        if (o->refcount <= 0) serverPanic("decrRefCount against refcount <= 0");
        if (o->refcount != OBJ_SHARED_REFCOUNT) o->refcount--;
    }
}

總結

總結下，可以認為robj有這樣幾個作用，

1. 為所有型別的value提供一個統一的封裝，
2. 為資料淘汰保存必要的資訊，
3. 實作資料復用，和自動gc功能，

本文是Redis原始碼剖析系列博文，同時也有與之對應的Redis中文注釋版，有想深入學習Redis的同學，歡迎star和關注，
Redis中文注解版倉庫：https://github.com/xindoo/Redis
Redis原始碼剖析專欄：https://zxs.io/s/1h
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標籤：Java

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