字典數據結構

說起字典，也許大家比較陌生，但是我們都知道 Redis 本身提供 KV 查詢的方式，這個 KV 就是其實通過底層就是通過字典保存。

另外，Redis 支持多種數據類型，其中一種類型為 Hash 鍵，也可以用來存儲 KV 數據。

阿粉剛開始了解的這個數據結構的時候，本來以為這個就是使用字典實現。其實并不是這樣的，初始創建 Hash 鍵，默認使用另外一種數據結構-「ZIPLIST」(壓縮列表)，以此節省內存空間。

不過一旦以下任何條件被滿足，Hash 鍵的數據結構將會變為字典，加快查詢速度。

Redis 字典新建時默認將會創建一個哈希表數組，保存兩個哈希表。

其中 ht[0] 哈希表在第一次往字典中添加鍵值時分配內存空間，而另一個 ht[1] 將會在下文中擴容/縮容才會進行空間分配。

字典中哈希表其實就等同于Java HashMap，我們知道 Java 采用數組加鏈表/紅黑樹的實現方式，其實哈希表也是使用類似的數據結構。

哈希表結構如下所示：

其中 table 屬性是個數組， 其中數組元素保存一種 dictEntry 的結構，這個結構完全類似與 HashMap 中的  Entry 類型，這個結構存儲一個 KV 鍵值對。

同時，為了解決 hash 碰撞的問題，dictEntry 存在一個 next 指針，指向下一個dictEntry ，這樣就形成  dictEntry  的鏈表。

現在，我們回頭對比 Java 中 HashMap，可以發現兩者數據結構基本一致。

只不過 HashMap 為了解決鏈表過長問題導致查詢變慢，JDK1.8 時在鏈表元素過多時采用紅黑樹的數據結構。

下面我們開始添加新元素，了解這其中的原理。

元素增加過程

當我們往一個新字典中添加元素，默認將會為字典中 ht[0] 哈希表分配空間，默認情況下哈希表 table 數組大小為 4（「DICT_HT_INITIAL_SIZE」）。

新添加元素的鍵值將會經過哈希算法，確定哈希表數組的位置，然后添加到相應的位置,如圖所示：

繼續增加元素，此時如果兩個不同鍵經過哈希算法產生相同的哈希值，這樣就發生了哈希碰撞。

假設現在我們哈希表中擁有是三個元素，：

我們再增加一個新元素，如果此時剛好在數組 3 號位置上發生碰撞，此時 Redis 將會采用鏈表的方式解決哈希碰撞。

「注意，新元素將會放在鏈表頭結點，這么做目的是因為新增加的元素，很大概率上會被再次訪問，放在頭結點增加訪問速度。」

這里我們在對比一下元素添加過程，可以發現 Redis 流程其實與 JDK 1.7 版本的 HashMap 類似。

當我們元素增加越來越多時，哈希碰撞情況將會越來越頻繁，這就會導致鏈表長度過長，極端情況下 O(1) 查詢效率退化成 O(N) 的查詢效率。

為此，字典必須進行擴容，這樣就會使觸發字典 rehash 操作。

擴容

當 Redis 進行 Rehash 擴容操作，首先將會為字典沒有用到 ht[1] 哈希表分配更大空間。

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畫外音：ht[1]  哈希表大小為第一個大于等于 ht[0].used*2 的 2^2(2的n 次方冪)

?

然后再將 ht[0] 中所有鍵值對都遷移到 ht[1] 中。

   

當節點全部遷移完畢，將會釋放 ht[0]占用空間,并將 ht[1] 設置為 ht[0]。

   

擴容 操作需要將 ht[0]所有鍵值對都 Rehash 到 ht[1] 中，如果鍵值過多，假設存在十億個鍵值對，這樣一次性的遷移，勢必導致服務器會在一段時間內停止服務。

另外如果每次 rehash 都會阻塞當前操作，這樣對于客戶端處理非常不友好。

為了避免 rehash對服務器的影響，Redis 采用漸進式的遷移方式，慢慢將數據遷移分散到多個操作步驟。

這個操作依賴字典中一個屬性 rehashidx,這是一個索引位置計數器，記錄下一個哈希表 table 數組上元素，默認情況為值為 「-1」。

假設此時擴容前字典如圖所示：

當開始 rehash 操作，rehashidx將會被設置為 「0」 。

這個期間每次收到增加，刪除，查找，更新命令，除了這些命令將會被執行以外，還會順帶將 ht[0]哈希表在 rehashidx 位置的元素 rehash 到 ht[1] 中。

假設此時收到一個 「K3」 鍵的查詢操作，Redis 首先執行查詢操作，接著 Redis 將會為 ht[0]哈希表上table 數組第 rehashidx索引上所有節點都遷移到 ht[1] 中。

當操作完成之后，再將 rehashidx 屬性值加 1。

最后當所有鍵值對都 rehash 到 ht[1]中時，rehashidx將會被重新設置為 -1。

雖然漸進式的 rehash 操作減少了工作量，但是卻帶來鍵值操作的復雜度。

這是因為在漸進式 rehash 操作期間，Redis 無法明確知道鍵到底在 ht[0]中，還是在 ht[1] 中,所以這個時候 Redis 不得不查找兩個哈希表。

以查找為例，Redis 首先查詢 ht[0] ，如果沒找到將會繼續查找 ht[1],除了查詢以外，更新，刪除也會執行如上的操作。

添加操作其實就沒這么麻煩，因為ht[0]不會在使用，那就統一都添加到 ht[1] 中就好了。

最后我們再對比一下 Java HashMap 擴容操作，它是一個一次性操作，每次擴容需要將所有鍵值對都遷移到新的數組中，所以如果數據量很大，消耗時間就會久。