Redis底層數據結構深度解析（基于Redis 7.2.5）

本文深入剖析Redis核心數據類型的底層實現機制，涵蓋String、Hash、List、Set、Zset的實現原理及版本演進差異。

一、Redis數據存儲核心機制

Redis所有數據以redisObject結構統一封裝：

typedef struct redisObject {unsigned type:4;      // 數據類型（string, hash等）unsigned encoding:4;  // 底層編碼（int, embstr等）unsigned lru:LRU_BITS; // 緩存淘汰策略信息int refcount;         // 引用計數void *ptr;            // 指向實際數據的指針
} robj;

• 查看指令：
  • TYPE key：返回數據類型
  • OBJECT ENCODING key：查看底層編碼

二、String類型底層結構

三種編碼方式：

1. int編碼
   • 條件：值為整數字符串（可轉為long）
   • 特點：ptr直接存儲整數值（省去指針開銷）
2. embstr編碼
   • 條件：字符串長度 ≤ 44字節
   • 特點：內存連續分配，RedisObject與SDS共享內存
3. raw編碼
   • 條件：字符串長度 > 44字節
   • 特點：RedisObject與SDS分離存儲

SDS（Simple Dynamic String）

動態字符串結構，解決C字符串缺陷：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {uint8_t len;         // 已用長度uint8_t alloc;       // 總空間unsigned char flags; // 類型標識char buf[];          // 數據存儲
};

優勢：

• O(1)復雜度獲取長度
• 二進制安全（允許存儲\0）
• 預分配減少內存重分配

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三、Hash類型底層結構

編碼切換規則：

條件	編碼方式
所有鍵值對數量 ≤ hash-max-listpack-entries (默認512) 且 所有值長度 ≤ hash-max-listpack-value (默認64字節)	listpack
任一條件不滿足	hashtable

Listpack（替代Redis6的ziplist）

連續內存結構解決ziplist連鎖更新問題：

字段	說明
total-bytes (4B)	總字節數
num-elements (2B)	元素數量
entry (變長)	數據節點（每個鍵值對）
end-byte (1B)	結束標識(0xFF)

節點結構：

[編碼類型][數據長度][實際數據]

→ 無需記錄前驅節點長度，避免連鎖更新

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四、List類型底層結構

編碼規則：

• listpack編碼：元素少且長度小
• quicklist編碼：元素多或長度大（默認切換閾值：list-max-listpack-size = -2 即8KB）

Quicklist結構

雙向鏈表 + Listpack的復合結構：

typedef struct quicklist {quicklistNode *head;quicklistNode *tail;unsigned long count;     // 總元素數unsigned long len;       // 節點數...
} quicklist;typedef struct quicklistNode {struct quicklistNode *prev;struct quicklistNode *next;unsigned char *entry;    // 指向listpacksize_t sz;               // listpack字節大小...
} quicklistNode;

優勢：

• 鏈表結構：高效增刪（O(1)）
• Listpack節點：內存連續，減少碎片

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五、Set類型底層結構

編碼切換規則：

條件	編碼方式
元素全為整數 & 元素數量 ≤ set-max-intset-entries (默認512)	intset
元素數量 ≤ set-max-listpack-entries (默認128) 且 所有元素長度 ≤ set-max-listpack-value (默認64字節)	listpack
任一條件不滿足	hashtable

Intset整數集合

typedef struct intset {uint32_t encoding;  // 編碼方式（int16/int32/int64）uint32_t length;    // 元素數量int8_t contents[];  // 數據存儲
} intset;

特點：元素有序存儲，二分查找效率高

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六、Zset類型底層結構

編碼切換規則：

條件	編碼方式
元素數量 ≤ zset-max-listpack-entries (默認128) 且 所有值長度 ≤ zset-max-listpack-value (默認64字節)	listpack
任一條件不滿足	skiplist

Skiplist跳表

多層索引結構實現高效查找：

typedef struct zskiplistNode {sds ele;                         // 元素值double score;                    // 分值struct zskiplistNode *backward;  // 后退指針struct zskiplistLevel {struct zskiplistNode *forward; // 前進指針unsigned long span;          // 跨度} level[];                       // 層級數組
} zskiplistNode;

性能：

• 查詢/插入/刪除：平均O(logN)
• 空間復雜度：O(N)

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七、Redis版本數據結構對比

數據類型	Redis 6	Redis 7
string	SDS	SDS
hash	ziplist + hashtable	listpack + hashtable
list	quicklist + ziplist	quicklist + listpack
set	intset + hashtable	intset + listpack + hashtable
zset	ziplist + skiplist	listpack + skiplist

關鍵演進：Redis 7使用listpack全面替代ziplist，徹底解決連鎖更新問題。

附：Redis高性能核心要素

1. 精細化數據結構：針對場景選擇最優編碼
2. 內存連續存儲：SDS/listpack利用CPU緩存
3. 惰性刪除：異步釋放避免阻塞
4. 單線程模型：無鎖操作減少競爭
5. IO多路復用：epoll/kqueue高效網絡處理