Redis——dict

Redis本质上是一个数据结构服务器（data structures server），以高效的方式实现了多种现成的数据结构，研究它的数据结构和基于其上的算法，对于我们自己提升局部算法的编程水平有很重要的参考意义。

存储效率（memory efficiency）。Redis是专用于存储数据的，它对于计算机资源的主要消耗就在于内存，因此节省内存是它非常非常重要的一个方面。这意味着Redis一定是非常精细地考虑了压缩数据、减少内存碎片等问题。
快速响应时间（fast response time）。与快速响应时间相对的，是高吞吐量（high throughput）。Redis是用于提供在线访问的，对于单个请求的响应时间要求很高，因此，快速响应时间是比高吞吐量更重要的目标。有时候，这两个目标是矛盾的。
单线程（single-threaded）。Redis的性能瓶颈不在于CPU资源，而在于内存访问和网络IO。而采用单线程的设计带来的好处是，极大简化了数据结构和算法的实现。相反，Redis通过异步IO和pipelining等机制来实现高速的并发访问。显然，单线程的设计，对于单个请求的快速响应时间也提出了更高的要求。

dict

dict是一个用于维护key和value映射关系的数据结构，与很多语言中的Map或dictionary类似。Redis的一个database中所有key到value的映射，就是使用一个dict来维护的。不过，这只是它在Redis中的一个用途而已，它在Redis中被使用的地方还有很多。比如，一个Redis hash结构，当它的field较多时，便会采用dict来存储。再比如，Redis配合使用dict和skiplist来共同维护一个sorted set。

dict本质上是为了解决算法中的查找问题（Searching），一般查找问题的解法分为两个大类：一个是基于各种平衡树，一个是基于哈希表。我们平常使用的各种Map或dictionary，大都是基于哈希表实现的。在不要求数据有序存储，且能保持较低的哈希值冲突概率的前提下，基于哈希表的查找性能能做到非常高效，接近O(1)，而且实现简单。

在Redis中，dict也是一个基于哈希表的算法。和传统的哈希算法类似，它采用某个哈希函数从key计算得到在哈希表中的位置，采用拉链法解决冲突，并在装载因子（load factor）超过预定值时自动扩展内存，引发重哈希（rehashing）。Redis的dict实现最显著的一个特点，就在于它的重哈希。它采用了一种称为增量式重哈希（incremental rehashing）的方法，在需要扩展内存时避免一次性对所有key进行重哈希，而是将重哈希操作分散到对于dict的各个增删改查的操作中去。这种方法能做到每次只对一小部分key进行重哈希，而每次重哈希之间不影响dict的操作。dict之所以这样设计，是为了避免重哈希期间单个请求的响应时间剧烈增加，这与前面提到的“快速响应时间”的设计原则是相符的。

dict的数据结构定义

为了实现增量式重哈希（incremental rehashing），dict的数据结构里包含两个哈希表。在重哈希期间，数据从第一个哈希表向第二个哈希表迁移。

dict的C代码定义如下（出自Redis源码dict.h）：

typedef struct dictEntry {
    void *key;
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
        double d;
    } v;
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

typedef struct dictType {
    unsigned int (*hashFunction)(const void *key);
    void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);
    void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);
    int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);
    void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key);
    void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj);
} dictType;

/* This is our hash table structure. Every dictionary has two of this as we
 * implement incremental rehashing, for the old to the new table. */
typedef struct dictht {
    dictEntry **table;
    unsigned long size;
    unsigned long sizemask;
    unsigned long used;
} dictht;

typedef struct dict {
    dictType *type;
    void *privdata;
    dictht ht[2];
    long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
    int iterators; /* number of iterators currently running */
} dict;

结合上面的代码和结构图，可以很清楚地看出dict的结构。一个dict由如下若干项组成：

一个指向dictType结构的指针（type）。它通过自定义的方式使得dict的key和value能够存储任何类型的数据。
一个私有数据指针（privdata）。由调用者在创建dict的时候传进来。
两个哈希表（ht[2]）。只有在重哈希的过程中，ht[0]和ht[1]才都有效。而在平常情况下，只有ht[0]有效，ht[1]里面没有任何数据。上图表示的就是重哈希进行到中间某一步时的情况。
当前重哈希索引（rehashidx）。如果rehashidx = -1，表示当前没有在重哈希过程中；否则，表示当前正在进行重哈希，且它的值记录了当前重哈希进行到哪一步了。
当前正在进行遍历的iterator的个数。这不是我们现在讨论的重点，暂时忽略。

dictType结构包含若干函数指针，用于dict的调用者对涉及key和value的各种操作进行自定义。这些操作包含：

hashFunction，对key进行哈希值计算的哈希算法。
keyDup和valDup，分别定义key和value的拷贝函数，用于在需要的时候对key和value进行深拷贝，而不仅仅是传递对象指针。
keyCompare，定义两个key的比较操作，在根据key进行查找时会用到。
keyDestructor和valDestructor，分别定义对key和value的析构函数。

私有数据指针（privdata）就是在dictType的某些操作被调用时会传回给调用者。

需要详细察看的是dictht结构。它定义一个哈希表的结构，由如下若干项组成：

一个dictEntry指针数组（table）。key的哈希值最终映射到这个数组的某个位置上（对应一个bucket）。如果多个key映射到同一个位置，就发生了冲突，那么就拉出一个dictEntry链表。
size：标识dictEntry指针数组的长度。它总是2的指数。
sizemask：用于将哈希值映射到table的位置索引。它的值等于(size-1)，比如7, 15, 31, 63，等等，也就是用二进制表示的各个bit全1的数字。每个key先经过hashFunction计算得到一个哈希值，然后计算(哈希值 & sizemask)得到在table上的位置。相当于计算取余(哈希值 % size)。
used：记录dict中现有的数据个数。它与size的比值就是装载因子（load factor）。这个比值越大，哈希值冲突概率越高。

dictEntry结构中包含k, v和指向链表下一项的next指针。k是void指针，这意味着它可以指向任何类型。v是个union，当它的值是uint64_t、int64_t或double类型时，就不再需要额外的存储，这有利于减少内存碎片。当然，v也可以是void指针，以便能存储任何类型的数据。

dict的创建（dictCreate）

dictCreate为dict的数据结构分配空间并为各个变量赋初值。其中两个哈希表ht[0]和ht[1]起始都没有分配空间，table指针都赋为NULL。这意味着要等第一个数据插入时才会真正分配空间。

dict的查找（dictFind）

上述dictFind的源码，根据dict当前是否正在重哈希，依次做了这么几件事：

如果当前正在进行重哈希，那么将重哈希过程向前推进一步（即调用_dictRehashStep）。实际上，除了查找，插入和删除也都会触发这一动作。这就将重哈希过程分散到各个查找、插入和删除操作中去了，而不是集中在某一个操作中一次性做完。
计算key的哈希值（调用dictHashKey，里面的实现会调用前面提到的hashFunction）。
先在第一个哈希表ht[0]上进行查找。在table数组上定位到哈希值对应的位置（如前所述，通过哈希值与sizemask进行按位与），然后在对应的dictEntry链表上进行查找。查找的时候需要对key进行比较，这时候调用dictCompareKeys，它里面的实现会调用到前面提到的keyCompare。如果找到就返回该项。否则，进行下一步。
判断当前是否在重哈希，如果没有，那么在ht[0]上的查找结果就是最终结果（没找到，返回NULL）。否则，在ht[1]上进行查找（过程与上一步相同）。

下面我们有必要看一下增量式重哈希的_dictRehashStep的实现。

dictRehash每次将重哈希至少向前推进n步（除非不到n步整个重哈希就结束了），每一步都将ht[0]上某一个bucket（即一个dictEntry链表）上的每一个dictEntry移动到ht[1]上，它在ht[1]上的新位置根据ht[1]的sizemask进行重新计算。rehashidx记录了当前尚未迁移（有待迁移）的ht[0]的bucket位置。

如果dictRehash被调用的时候，rehashidx指向的bucket里一个dictEntry也没有，那么它就没有可迁移的数据。这时它尝试在ht[0].table数组中不断向后遍历，直到找到下一个存有数据的bucket位置。如果一直找不到，则最多走n*10步，本次重哈希暂告结束。

最后，如果ht[0]上的数据都迁移到ht[1]上了（即d->ht[0].used == 0），那么整个重哈希结束，ht[0]变成ht[1]的内容，而ht[1]重置为空。

根据以上对于重哈希过程的分析，我们容易看出，本文前面的dict结构图中所展示的正是rehashidx=2时的情况，前面两个bucket（ht[0].table[0]和ht[0].table[1]）都已经迁移到ht[1]上去了。

dict的插入（dictAdd和dictReplace）

dictAdd插入新的一对key和value，如果key已经存在，则插入失败。

dictReplace也是插入一对key和value，不过在key存在的时候，它会更新value。

以上是dictAdd的关键实现代码。我们主要需要注意以下几点：

它也会触发推进一步重哈希（_dictRehashStep）。
如果正在重哈希中，它会把数据插入到ht[1]；否则插入到ht[0]。
在对应的bucket中插入数据的时候，总是插入到dictEntry的头部。因为新数据接下来被访问的概率可能比较高，这样再次查找它时就比较次数较少。
_dictKeyIndex在dict中寻找插入位置。如果不在重哈希过程中，它只查找ht[0]；否则查找ht[0]和ht[1]。
_dictKeyIndex可能触发dict内存扩展（_dictExpandIfNeeded，它将哈希表长度扩展为原来两倍，具体请参考dict.c中源码）。

dictReplace在dictAdd基础上实现，如下：

在key已经存在的情况下，dictReplace会同时调用dictAdd和dictFind，这其实相当于两次查找过程。这里Redis的代码不够优化。

dict的删除（dictDelete）

dictDelete的源码这里忽略，具体请参考dict.c。需要稍加注意的是：

dictDelete也会触发推进一步重哈希（_dictRehashStep）
如果当前不在重哈希过程中，它只在ht[0]中查找要删除的key；否则ht[0]和ht[1]它都要查找。
删除成功后会调用key和value的析构函数（keyDestructor和valDestructor）。

参考链接、

http://zhangtielei.com/posts/blog-redis-dict.html