字典数据结构

说起字典，也许大家比较陌生，但是我们都知道 Redis 本身提供 KV 查询的方式，这个 KV 就是其实通过底层就是通过字典保存。

另外，Redis 支持多种数据类型，其中一种类型为 Hash 键，也可以用来存储 KV 数据。

阿粉刚开始了解的这个数据结构的时候，本来以为这个就是使用字典实现。其实并不是这样的，初始创建 Hash 键，默认使用另外一种数据结构-「ZIPLIST」(压缩列表)，以此节省内存空间。

不过一旦以下任何条件被满足，Hash 键的数据结构将会变为字典，加快查询速度。

Redis 字典新建时默认将会创建一个哈希表数组，保存两个哈希表。

其中 ht[0] 哈希表在第一次往字典中添加键值时分配内存空间，而另一个 ht[1] 将会在下文中扩容/缩容才会进行空间分配。

字典中哈希表其实就等同于Java HashMap，我们知道 Java 采用数组加链表/红黑树的实现方式，其实哈希表也是使用类似的数据结构。

哈希表结构如下所示：

其中 table 属性是个数组， 其中数组元素保存一种 dictEntry 的结构，这个结构完全类似与 HashMap 中的  Entry 类型，这个结构存储一个 KV 键值对。

同时，为了解决 hash 碰撞的问题，dictEntry 存在一个 next 指针，指向下一个dictEntry ，这样就形成  dictEntry  的链表。

现在，我们回头对比 Java 中 HashMap，可以发现两者数据结构基本一致。

只不过 HashMap 为了解决链表过长问题导致查询变慢，JDK1.8 时在链表元素过多时采用红黑树的数据结构。

下面我们开始添加新元素，了解这其中的原理。

元素增加过程

当我们往一个新字典中添加元素，默认将会为字典中 ht[0] 哈希表分配空间，默认情况下哈希表 table 数组大小为 4（「DICT_HT_INITIAL_SIZE」）。

新添加元素的键值将会经过哈希算法，确定哈希表数组的位置，然后添加到相应的位置,如图所示：

继续增加元素，此时如果两个不同键经过哈希算法产生相同的哈希值，这样就发生了哈希碰撞。

假设现在我们哈希表中拥有是三个元素，：

我们再增加一个新元素，如果此时刚好在数组 3 号位置上发生碰撞，此时 Redis 将会采用链表的方式解决哈希碰撞。

「注意，新元素将会放在链表头结点，这么做目的是因为新增加的元素，很大概率上会被再次访问，放在头结点增加访问速度。」

这里我们在对比一下元素添加过程，可以发现 Redis 流程其实与 JDK 1.7 版本的 HashMap 类似。

当我们元素增加越来越多时，哈希碰撞情况将会越来越频繁，这就会导致链表长度过长，极端情况下 O(1) 查询效率退化成 O(N) 的查询效率。

为此，字典必须进行扩容，这样就会使触发字典 rehash 操作。

扩容

当 Redis 进行 Rehash 扩容操作，首先将会为字典没有用到 ht[1] 哈希表分配更大空间。

❝    

画外音：ht[1]  哈希表大小为第一个大于等于 ht[0].used*2 的 2^2(2的n 次方幂)

❞

然后再将 ht[0] 中所有键值对都迁移到 ht[1] 中。

   

当节点全部迁移完毕，将会释放 ht[0]占用空间,并将 ht[1] 设置为 ht[0]。

   

扩容 操作需要将 ht[0]所有键值对都 Rehash 到 ht[1] 中，如果键值过多，假设存在十亿个键值对，这样一次性的迁移，势必导致服务器会在一段时间内停止服务。

另外如果每次 rehash 都会阻塞当前操作，这样对于客户端处理非常不友好。

为了避免 rehash对服务器的影响，Redis 采用渐进式的迁移方式，慢慢将数据迁移分散到多个操作步骤。

这个操作依赖字典中一个属性 rehashidx,这是一个索引位置计数器，记录下一个哈希表 table 数组上元素，默认情况为值为 「-1」。

假设此时扩容前字典如图所示：

当开始 rehash 操作，rehashidx将会被设置为 「0」。

这个期间每次收到增加，删除，查找，更新命令，除了这些命令将会被执行以外，还会顺带将 ht[0]哈希表在 rehashidx 位置的元素 rehash 到 ht[1] 中。

假设此时收到一个 「K3」键的查询操作，Redis 首先执行查询操作，接着 Redis 将会为 ht[0]哈希表上table 数组第 rehashidx索引上所有节点都迁移到 ht[1] 中。

当操作完成之后，再将 rehashidx 属性值加 1。

最后当所有键值对都 rehash 到 ht[1]中时，rehashidx将会被重新设置为 -1。

虽然渐进式的 rehash 操作减少了工作量，但是却带来键值操作的复杂度。

这是因为在渐进式 rehash 操作期间，Redis 无法明确知道键到底在 ht[0]中，还是在 ht[1] 中,所以这个时候 Redis 不得不查找两个哈希表。

以查找为例，Redis 首先查询 ht[0] ，如果没找到将会继续查找 ht[1],除了查询以外，更新，删除也会执行如上的操作。

添加操作其实就没这么麻烦，因为ht[0]不会在使用，那就统一都添加到 ht[1] 中就好了。

最后我们再对比一下 Java HashMap 扩容操作，它是一个一次性操作，每次扩容需要将所有键值对都迁移到新的数组中，所以如果数据量很大，消耗时间就会久。