Redis源码分析（sds）

源码版本：redis-4.0.1
源码位置：https://github.com/antirez/sds

一、SDS简介

sds (Simple Dynamic String)，Simple的意思是简单，Dynamic即动态，意味着其具有动态增加空间的能力，扩容不需要使用者关心。String是字符串的意思。说白了就是用C语言自己封装了一个字符串类型，这个项目由Redis作者antirez创建，作为Redis中基本的数据结构之一，现在也被独立出来成为了一个单独的项目，项目地址位于这里。

sds 有两个版本，在Redis 3.2之前使用的是第一个版本，其数据结构如下所示：

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typedef char *sds;      //注意，sds其实不是一个结构体类型，而是被typedef的char*，好处见下文

struct sdshdr {
    unsigned int len;   //buf中已经使用的长度
    unsigned int free;  //buf中未使用的长度
    char buf[];         //柔性数组buf
};

但是在Redis 3.2 版本中，对数据结构做出了修改，针对不同的长度范围定义了不同的结构，如下，这是目前的结构：

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typedef char *sds;      

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {     // 对应的字符串长度小于 1<<5
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {     // 对应的字符串长度小于 1<<8
    uint8_t len; /* used */                       //目前字符创的长度
    uint8_t alloc;                                //已经分配的总长度
    unsigned char flags;                          //flag用3bit来标明类型，类型后续解释，其余5bit目前没有使用
    char buf[];                                   //柔性数组，以'\0'结尾
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {    // 对应的字符串长度小于 1<<16
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {    // 对应的字符串长度小于 1<<32
    uint32_t len; /* used */
    uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {    // 对应的字符串长度小于 1<<64
    uint64_t len; /* used */
    uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

新版带来的好处就是针对长度不同的字符串做了优化，选取不同的数据类型uint8_t或者uint16_t或者uint32_t等来表示长度、一共申请字节的大小等。上面结构体中的__attribute__ ((__packed__)) 设置是告诉编译器取消字节对齐，则结构体的大小就是按照结构体成员实际大小相加得到的。

二、SDS的优势和不足

sds和一般的自定义String相比，有自己的优势和不足，假设我们用C语言自己定义一个String结构体，一般会这么定义：

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struct mysds {
    char *buf;                          //存储实际字符
    size_t len;                         //字符串的长度
    ... possibly more fields here ...   //其他的成员
};

如果我们要打印buf的内容，如下这样使用：

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struct mysds *sds = mysdsnew("Hello World");    //假设mysdsnew函数中分配空间并初始化buf为"Hello World"
printf("%s", sds->buf);

Out> Hello World

即我们打印的buf是属于struct mysds的一个成员，我们需要通过指针操作它。但是Redis sds与之不同，它的定义是typedef char *sds;，如果使用它实现上面的功能，我们的代码是：

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sds sds = sdsnew("Hello World");
printf("%s", sds);

Out> Hello World

在这里我们直接输出的是sds,之所以可以这样，是因为它的结构如下所示:

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+--------+-------------------------------+-----------+
| Header | Binary safe C alike string... | Null term |
+--------+-------------------------------+-----------+
         |
         `-> Pointer returned to the user.

我们通过sdsnew返回的实际上是一个char *类型的指针，这个指针指向的是字符串的开始位置，它的头部信息是在字符串前面分配的，这样带来的好处有：

  • 我们可以把sds传递给任何使用char *为参数的函数，包括一些库函数（strcmp,strcat等），而不用通过结构体获取地址再传递。
  • 可以直接访问单个字符printf("%c %c\n", sds[0], sds[1]);如果使用mysds则需要每次获取下buf的地址mysds->buf[1]再访问。
  • 分配的空间地址连续，对高速缓存命中率更加友好。即一次连续分配Header+String+Null，因此对于一个sds，它的各个部分总是内存连续的，但是上面的mysds通常需要两次malloc,如下所示：
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struct mysds *sds = (struct mysds *) malloc(sizeof(struct mysds));
sds->buf = (char *) malloc(SIZE);
//这两次malloc不能保证sds和buf内存地址是连续的

除了上面的优点，sds还有一些缺点：

  • API返回后不能确定内部是否重新分配了空间
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s = sdscat(s, "Some more data");

s既是参数，又作为了返回值，原因是我们在调用sdscat函数之前不确定s的剩余空间是否足够分配出
data长度的字节，如果不够的话，内部会重新malloc空间，然后把目前的sds包括头部全部挪过去，这样的话如果我们没有把返回的地址重新赋值给s,那么s实际上是失效的。

  • 如果sds会在程序的不同位置共享，则在修改字符串时候必须修改所有的应用。因为它本身是一个char *的地址，一旦在一个地方重新分配了，则其他地方的会失效。

三、创建、扩容和销毁

接下来我们以一个例子来跟踪源码展示sds的创建、扩容和销毁等过程，这是我们的源代码：

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int main(int argc, char *argv[]) {
    sds s = sdsnew("Hello World,");
    printf("Length:%d, Type:%d\n", sdslen(s), sdsReqType(sdslen(s)));

    s = sdscat(s, "The length of this sentence is greater than 32 bytes");
    printf("Length:%d, Type:%d\n", sdslen(s), sdsReqType(sdslen(s)));

    sdsfree(s);
    return 0;
}

Out>
Length:12, Type:0
Length:64, Type:1

首先我们创建了一个sds名为s，初始化为”Hello World”，然后打印它的length和type分别为12和0,接着我们继续给s追加了一个字符串，使得它的长度变成了64,获取type，发现变成了1，最后free掉s，有关type的定义，位于sds.h头文件，随着长度不同，type也会发生变化。

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#define SDS_TYPE_5  0     //长度小于 1<<5 即32，类型为SDS_TYPE_5
#define SDS_TYPE_8  1     // ...
#define SDS_TYPE_16 2
#define SDS_TYPE_32 3
#define SDS_TYPE_64 4

下面我们从sdsnew出发，去看下它的实现：

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/* Create a new sds string starting from a null terminated C string. */
sds sdsnew(const char *init) {
    size_t initlen = (init == NULL) ? 0 : strlen(init);
    return sdsnewlen(init, initlen);
}

可以看到sdsnew实际上调用了sdsnewlen，帮我们计算了传进去的字符串长度，然后传给sdsnewlen，继续看sdsnewlen

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sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
    void *sh;
    sds s;
    char type = sdsReqType(initlen);
    /* Empty strings are usually created in order to append. Use type 8
     * since type 5 is not good at this. */
    if (type == SDS_TYPE_5 && initlen == 0) type = SDS_TYPE_8;
    int hdrlen = sdsHdrSize(type);
    unsigned char *fp; /* flags pointer. */

    sh = s_malloc(hdrlen+initlen+1);
    if (!init)
        memset(sh, 0, hdrlen+initlen+1);
    if (sh == NULL) return NULL;
    s = (char*)sh+hdrlen;
    fp = ((unsigned char*)s)-1;
    switch(type) {
        case SDS_TYPE_5: {
            *fp = type | (initlen << SDS_TYPE_BITS);
            break;
        }
        case SDS_TYPE_8: {
            SDS_HDR_VAR(8,s);
            sh->len = initlen;
            sh->alloc = initlen;
            *fp = type;
            break;
        }
        case SDS_TYPE_16: {
            SDS_HDR_VAR(16,s);
            sh->len = initlen;
            sh->alloc = initlen;
            *fp = type;
            break;
        }
        case SDS_TYPE_32: {
            SDS_HDR_VAR(32,s);
            sh->len = initlen;
            sh->alloc = initlen;
            *fp = type;
            break;
        }
        case SDS_TYPE_64: {
            SDS_HDR_VAR(64,s);
            sh->len = initlen;
            sh->alloc = initlen;
            *fp = type;
            break;
        }
    }
    if (initlen && init)
        memcpy(s, init, initlen);
    s[initlen] = '\0';
    return s;
}

函数基本流程如下所示：

  • char type = sdsReqType(initlen);根据我们传入的初始化字符串长度获取类型，获取代码如下:
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static inline char sdsReqType(size_t string_size) {
    if (string_size < 1<<5)
        return SDS_TYPE_5;
    if (string_size < 1<<8)
        return SDS_TYPE_8;
    if (string_size < 1<<16)
        return SDS_TYPE_16;
#if (LONG_MAX == LLONG_MAX)
    if (string_size < 1ll<<32)
        return SDS_TYPE_32;
#endif
    return SDS_TYPE_64;
}

函数根据字符串大小的不同返回不同的类型。

  • int hdrlen = sdsHdrSize(type);根据上一步获取的type通过sdsHdrSize函数获得Header的长度，sdsHdrSize代码如下：
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static inline int sdsHdrSize(char type) {
    switch(type&SDS_TYPE_MASK) {
        case SDS_TYPE_5:
            return sizeof(struct sdshdr5);
        case SDS_TYPE_8:
            return sizeof(struct sdshdr8);
        case SDS_TYPE_16:
            return sizeof(struct sdshdr16);
        case SDS_TYPE_32:
            return sizeof(struct sdshdr32);
        case SDS_TYPE_64:
            return sizeof(struct sdshdr64);
    }
    return 0;
}

这个函数直接return了相应的结构体大小。

  • 接下来malloc申请了hdrlen+initlen+1大小的空间，表示头部+字符串+Null,然后让s指向了字符串的首地址，fp指向了头部的最后一个字节，也就是flag。

  • 然后我们的程序进入了switch，因为类型为SDS_TYPE_5,所以执行了*fp = type | (initlen << SDS_TYPE_BITS); 对于SDS_TYPE_5类型来说，长度信息实际上也是存在flag里面的，因为最大长度是31，占5bit，还有3bit表示type。

  • 接着break出来后，完成了字符串的拷贝工作，然后给s结尾置’\0’，s[initlen] = '\0';，至此，sdsnew调用完毕，此时我们的sds结构如下图所示：

这里写图片描述

flag大小为1字节，中间的String长度为11字节,后面还有一个\0结尾。接着我们的代码执行输出长度和类型，然后调用了sdscat函数，如下：

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s = sdscat(s, "The length of this sentence is greater than 32 bytes");

我们给原始的s继续追加了超过32个字符，其实目的是为了是它转变成SDS_TYPE_8类型，sdscat的代码如下所示：

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sds sdscat(sds s, const char *t) {
    return sdscatlen(s, t, strlen(t));
}

它调用了sdscatlen函数：

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sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len) {
    size_t curlen = sdslen(s);

    s = sdsMakeRoomFor(s,len);
    if (s == NULL) return NULL;
    memcpy(s+curlen, t, len);
    sdssetlen(s, curlen+len);
    s[curlen+len] = '\0';
    return s;
}
  • size_t curlen = sdslen(s);首先获取了当前的长度curlen,接着调用了sdsMakeRoomFor函数，这个函数比较关键，它能保证s的空间足够，如果空间不足会动态分配，代码如下：
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sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
    void *sh, *newsh;
    size_t avail = sdsavail(s);
    size_t len, newlen;
    char type, oldtype = s[-1] & SDS_TYPE_MASK;
    int hdrlen;

    /* Return ASAP if there is enough space left. */
    if (avail >= addlen) return s;

    len = sdslen(s);
    sh = (char*)s-sdsHdrSize(oldtype);
    newlen = (len+addlen);
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
        newlen *= 2;
    else
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;

    type = sdsReqType(newlen);

    /* Don't use type 5: the user is appending to the string and type 5 is
     * not able to remember empty space, so sdsMakeRoomFor() must be called
     * at every appending operation. */
    if (type == SDS_TYPE_5) type = SDS_TYPE_8;

    hdrlen = sdsHdrSize(type);
    if (oldtype==type) {
        newsh = s_realloc(sh, hdrlen+newlen+1);
        if (newsh == NULL) return NULL;
        s = (char*)newsh+hdrlen;
    } else {
        /* Since the header size changes, need to move the string forward,
         * and can't use realloc */
        newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1);
        if (newsh == NULL) return NULL;
        memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);
        s_free(sh);
        s = (char*)newsh+hdrlen;
        s[-1] = type;
        sdssetlen(s, len);
    }
    sdssetalloc(s, newlen);
    return s;
}

  • size_t avail = sdsavail(s);首先调用sdsavail函数获取了当前s可用空间的大小，sdsavail函数如下：
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static inline size_t sdsavail(const sds s) {
    unsigned char flags = s[-1];
    switch(flags&SDS_TYPE_MASK) {
        case SDS_TYPE_5: {
            return 0;
        }
        case SDS_TYPE_8: {
            SDS_HDR_VAR(8,s);
            return sh->alloc - sh->len;
        }
        case SDS_TYPE_16: {
            SDS_HDR_VAR(16,s);
            return sh->alloc - sh->len;
        }
        case SDS_TYPE_32: {
            SDS_HDR_VAR(32,s);
            return sh->alloc - sh->len;
        }
        case SDS_TYPE_64: {
            SDS_HDR_VAR(64,s);
            return sh->alloc - sh->len;
        }
    }
    return 0;
}

对于SDS_TYPE_5类型，直接return 0,对于其他类型，需要在Header获取alloc和len然后相减，获取Header的宏如下：

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SDS_HDR_VAR(8,s);

#define SDS_HDR_VAR(T,s) struct sdshdr##T *sh = (void*)((s)-(sizeof(struct sdshdr##T)));

//本质上就是用s的地址减去（偏移）相应头部结构体大小的地址，就到了Header的第一个字节

return sh->alloc - sh->len;

//然后返回可用字节大小

  • if (avail >= addlen) return s; 接着判断大小，如果空间是足够的，则将s返回，函数结束。
  • 否则我们获取到目前的长度，然后给它加上sdscat所追加的字符串长度，如果此时的新长度没有超过SDS_MAX_PREALLOC=1024*1024，我们再给新长度x2，这样做是为了避免频繁调用malloc。
  • type = sdsReqType(newlen); 然后我们需要根据新长度重新获取type类型。
  • if (oldtype==type)然后判断type是否发生了变化，来决定扩充空间还是重新申请空间。对于我们的例子，接下来需要重新分配空间，如下，走else分支：
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else {
        /* Since the header size changes, need to move the string forward,
         * and can't use realloc */
        newsh = s_malloc(hdrlen+newlen+1);      //重新分配Header+newlen+1的空间
        if (newsh == NULL) return NULL;
        memcpy((char*)newsh+hdrlen, s, len+1);  //将String部分拷贝至新String部分
        s_free(sh);                             //把旧的sds全部释放
        s = (char*)newsh+hdrlen;                
        s[-1] = type;                           //将type更新
        sdssetlen(s, len);                      //设置大小
    }
    sdssetalloc(s, newlen);                     //设置alloc大小
    return s;                                   //将新的s返回
}

当sdsMakeRoomFor函数返回后，sdscatlen函数继续执行，将需要添加的字符串拷贝至新的空间，然后设置长度和最后的\0就返回了。此时s变成了下面这样：

这里写图片描述

需要注意的是执行代码打印出来长度为64指的是已经分配的长度，也就是len的大小，图片上的128是alloc的大小，则此时可用长度还有64字节，下次如果再追加小于64字节的内容就不会重新分配了。最后我们看下free的过程，代码如下：

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void sdsfree(sds s) {
    if (s == NULL) return;
    s_free((char*)s-sdsHdrSize(s[-1]));
}

很简单，如果为NULL就返回，否则得到Header的首地址然后释放，sdsHdrSize(s[-1])是根据flag类型获取Header的长度，用s减去（偏移）Header长度个字节就到头部了。上面的过程基本上分析清楚了sds有关于创建和扩容以及释放的过程，这样其实已经把握了sds的大体脉络，接下来我们看一下它还实现了哪些方便的接口供我们使用。

四、其他的接口和特性

1、sdssplitargs函数可以将字符串分割，它会默认按\n、空格、\t、\r、、0以及双引号和单引号进行分割，如下所示:

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eg1:
int args;
sds *arr = sdssplitargs("H\ne\tl\rlo Wor\ald",&args);

printf("args is :%d\n",args);
for (int i = 0; i < args; ++i) {
    printf("%s ", arr[i]);
}
sdsfreesplitres(arr,args);       //注意free方式

Out>
args is :5
H e l lo Wor ld


eg2；
sds *arr = sdssplitargs("\"Hello\" World",&args);

Out>
args is :2
Hello World

eg3：
sds *arr = sdssplitargs("\x41 \x42 \x43",&args);

Out>
args is :3
A B C    //把16进制转成了10进制

2、sdssplitlen也是分割字符串的函数，不过它只可以指定一个分割符号进行分割，但是这个符号可以是一个字符串。

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sds s = sdsnew("Hello_-_World");
int args;
sds *arr = sdssplitlen(s, sdslen(s), "_-_", 3, &args);
printf("args is :%d\n", args);
for (int i = 0; i < args; ++i) {
    printf("%s ", arr[i]);
}

Out>
args is :2
Hello World

3、sdscatprintf()格式化字符串，类似于sprintf()：

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int a = 1,b = 1;
sds s = sdsnew("Sum is: ");
s = sdscatprintf(s, "%d+%d = %d", a, b, a+b);
printf("%s\n", s);


Out>
Sum is: 1+1 = 2

4、sdscatfmt类似于sdscatprintf，但是比sdscatprintf要快，因为它不依赖于libc提供的sprintf()函数，但是它指实现了一部分格式化语义，如下：

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* However this function only handles an incompatible subset of printf-alike
* format specifiers:
*
* %s - C String
* %S - SDS string
* %i - signed int
* %I - 64 bit signed integer (long long, int64_t)
* %u - unsigned int
* %U - 64 bit unsigned integer (unsigned long long, uint64_t)
* %% - Verbatim "%" character.


sds s = sdsnewlen("Hello ",6);
s = sdscatfmt(s,"%s"," World");
printf("%s\n",s);

Out>
Hello  World

5、sdstrim可以剔除sds中指定的字符:

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sds s = sdsnew("AA...AA.a.aa.aHelloWorldiii :::");
s = sdstrim(s, "A. a:i");
printf("%s\n",s);

>Out
HelloWorld

6、sdsrange类似于substring的功能，可以返回子串

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sds s = sdsnew("Hello World");
sdsrange(s, 1, -1);     // 1 表示第一个字符，-1 表示倒数第一个字符
printf("%s\n", s);

Out>
ello World

7、sdsmapchars可以将字符串中指定字符替换。

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sds s = sdsnew("Hello World");
s = sdsmapchars(s, "o", "u", 1);     //将o替换成u
printf("%s\n",s);

Out>
Hellu Wurld

[完]