对象处理机制

在 Redis 的命令中，用于对键（key）进行处理的命令占了很大一部分，而对于键所保存的值的类型（后简称“键的类型”），键能执行的命令又各不相同。

比如说，LPUSH  和 LLEN  只能用于列表键，而 SADD  和 SRANDMEMBER  只能用于集合键，等等。

另外一些命令，比如 DEL  、 TTL 和 TYPE  ，可以用于任何类型的键，但是，要正确实现这些命令，必须为不同类型的键设置不同的处理方式：比如说，删除一个列表键和删除一个字符串键的操作过程就不太一样。

以上的描述说明，Redis 必须让每个键都带有类型信息，使得程序可以检查键的类型，并为它选择合适的处理方式。

另外，在前面介绍各个底层数据结构时有提到，Redis 的每一种数据类型，比如字符串、列表、有序集，它们都拥有不只一种底层实现（Redis 内部称之为编码，encoding），这说明，每当对某种数据类型的键进行操作时，程序都必须根据键所采取的编码，进行不同的操作。

比如说，集合类型就可以由字典和整数集合两种不同的数据结构实现，但是，当用户执行 ZADD  命令时，他/她应该不必关心集合使用的是什么编码，只要 Redis 能按照 ZADD  命令的指示，将新元素添加到集合就可以了。

这说明，操作数据类型的命令除了要对键的类型进行检查之外，还需要根据数据类型的不同编码进行多态处理。

为了解决以上问题，Redis 构建了自己的类型系统，这个系统的主要功能包括：

• redisObject 对象。
• 基于 redisObject 对象的类型检查。
• 基于 redisObject 对象的显式多态函数。
• 对 redisObject 进行分配、共享和销毁的机制。

以下小节将分别介绍类型系统的这几个方面。

Note

因为 C 并不是面向对象语言，这里将 redisObject 称呼为对象一是为了讲述的方便，二是希望通过模仿 OOP 的常用术语，让这里的内容更容易被理解，redisObject 实际上是只是一个结构类型。

redisObject 数据结构，以及 Redis 的数据类型

redisObject 是 Redis 类型系统的核心，数据库中的每个键、值，以及 Redis 本身处理的参数，都表示为这种数据类型。

redisObject 的定义位于 redis.h ：

/*
 * Redis 对象
 */
typedef struct redisObject {

    // 类型
    unsigned type:4;

    // 对齐位
    unsigned notused:2;

    // 编码方式
    unsigned encoding:4;

    // LRU 时间（相对于 server.lruclock）
    unsigned lru:22;

    // 引用计数
    int refcount;

    // 指向对象的值
    void *ptr;

} robj;

type 、 encoding 和 ptr 是最重要的三个属性。

type 记录了对象所保存的值的类型，它的值可能是以下常量的其中一个（定义位于 redis.h）：

/*
 * 对象类型
 */
#define REDIS_STRING 0  // 字符串
#define REDIS_LIST 1    // 列表
#define REDIS_SET 2     // 集合
#define REDIS_ZSET 3    // 有序集
#define REDIS_HASH 4    // 哈希表

encoding 记录了对象所保存的值的编码，它的值可能是以下常量的其中一个（定义位于 redis.h）：

/*
 * 对象编码
 */
#define REDIS_ENCODING_RAW 0            // 编码为字符串
#define REDIS_ENCODING_INT 1            // 编码为整数
#define REDIS_ENCODING_HT 2             // 编码为哈希表
#define REDIS_ENCODING_ZIPMAP 3         // 编码为 zipmap
#define REDIS_ENCODING_LINKEDLIST 4     // 编码为双端链表
#define REDIS_ENCODING_ZIPLIST 5        // 编码为压缩列表
#define REDIS_ENCODING_INTSET 6         // 编码为整数集合
#define REDIS_ENCODING_SKIPLIST 7       // 编码为跳跃表

ptr 是一个指针，指向实际保存值的数据结构，这个数据结构由 type 属性和 encoding 属性决定。

举个例子，如果一个 redisObject 的 type 属性为 REDIS_LIST ， encoding 属性为 REDIS_ENCODING_LINKEDLIST ，那么这个对象就是一个 Redis 列表，它的值保存在一个双端链表内，而 ptr 指针就指向这个双端链表；

另一方面，如果一个 redisObject 的 type 属性为 REDIS_HASH ， encoding 属性为 REDIS_ENCODING_ZIPMAP ，那么这个对象就是一个 Redis 哈希表，它的值保存在一个 zipmap 里，而 ptr 指针就指向这个 zipmap ；诸如此类。

下图展示了 redisObject 、Redis 所有数据类型、以及 Redis 所有编码方式（底层实现）三者之间的关系：

REDIS_STRING;    redisObject -> REDIS_LIST;    redisObject -> REDIS_SET;    redisObject -> REDIS_ZSET;    redisObject -> REDIS_HASH;    REDIS_STRING -> REDIS_ENCODING_RAW;    REDIS_STRING -> REDIS_ENCODING_INT;    REDIS_LIST -> REDIS_ENCODING_LINKEDLIST;    REDIS_LIST -> REDIS_ENCODING_ZIPLIST;    REDIS_SET -> REDIS_ENCODING_HT;    REDIS_SET -> REDIS_ENCODING_INTSET;    REDIS_ZSET -> REDIS_ENCODING_SKIPLIST;    REDIS_ZSET -> REDIS_ENCODING_ZIPLIST;    REDIS_HASH -> REDIS_ENCODING_HT;    REDIS_HASH -> REDIS_ENCODING_ZIPLIST;}" />

这个图展示了 Redis 各种数据类型，以及它们的编码方式。

Note

REDIS_ENCODING_ZIPMAP 没有出现在图中，因为从 Redis 2.6 开始，它不再是任何数据类型的底层结构。

命令的类型检查和多态

有了 redisObject 结构的存在，在执行处理数据类型的命令时，进行类型检查和对编码进行多态操作就简单得多了。

当执行一个处理数据类型的命令时，Redis 执行以下步骤：

1. 根据给定 key ，在数据库字典中查找和它相对应的 redisObject ，如果没找到，就返回 NULL 。
2. 检查 redisObject 的 type 属性和执行命令所需的类型是否相符，如果不相符，返回类型错误。
3. 根据 redisObject 的 encoding 属性所指定的编码，选择合适的操作函数来处理底层的数据结构。
4. 返回数据结构的操作结果作为命令的返回值。

作为例子，以下展示了对键 key 执行 LPOP 命令的完整过程：

get_key_obj_from_db;    get_key_obj_from_db -> is_obj_nil_or_not;    is_obj_nil_or_not -> return_nil [label="是"];    is_obj_nil_or_not -> is_type_list_or_not [label="否"];    is_type_list_or_not -> call_poly_pop_function [label="是"];    is_type_list_or_not -> return_type_error [label="否"];    call_poly_pop_function -> pop_from_ziplist [label="对象的编码为\nZIPLIST"];    call_poly_pop_function -> pop_from_linkedlist [label="对象的编码为\nLINKEDLIST"];    pop_from_ziplist -> return_pop_item;    pop_from_linkedlist -> return_pop_item;}" />

对象共享

有一些对象在 Redis 中非常常见，比如命令的返回值 OK 、 ERROR 、 WRONGTYPE 等字符，另外，一些小范围的整数，比如个位、十位、百位的整数都非常常见。

为了利用这种常见情况，Redis 在内部使用了一个 Flyweight 模式  ：通过预分配一些常见的值对象，并在多个数据结构之间共享这些对象，程序避免了重复分配的麻烦，也节约了一些 CPU 时间。

Redis 预分配的值对象有如下这些：

• 各种命令的返回值，比如执行成功时返回的 OK ，执行错误时返回的 ERROR ，类型错误时返回的 WRONGTYPE ，命令入队事务时返回的 QUEUED ，等等。
• 包括 0 在内，小于 redis.h/REDIS_SHARED_INTEGERS 的所有整数（REDIS_SHARED_INTEGERS 的默认值为 10000）

因为命令的回复值直接返回给客户端，所以它们的值无须进行共享；另一方面，如果某个命令的输入值是一个小于 REDIS_SHARED_INTEGERS 的整数对象，那么当这个对象要被保存进数据库时，Redis 就会释放原来的值，并将值的指针指向共享对象。

作为例子，下图展示了三个列表，它们都带有指向共享对象数组中某个值对象的指针：

列表A | 20130101 |<300> * | 10086 | -998 |<1024> *", fillcolor = "#A8E270"];    list_a [label = "

列表A | 20130101 |<300> * | 10086 ", fillcolor = "#A8E270"];    list_b [label = "列表B |<81> * | 12345678910 |<999> *", fillcolor = "#95BBE3"];    list_c [label = "列表C |<100> * |<0> * | -25 |<123> *", fillcolor = "#FADCAD"];    sl [label = "共享整数对象数组 |<0> 0 | ... |<81> 81| ... |<100> 100 |<123> 123 | ... |<300> 300 | ... |<999> 999 | ... | 10000 "];    // edge    list_a:300 -> sl:300 [color="#A8E270"];    //list_a:999 -> sl:999 [color="#A8E270"];    // list_a:1024 -> sl:1024 [color="#A8E270"];    list_b:81 -> sl:81 [color="#95BBE3"];    list_b:999 -> sl:999 [color="#95BBE3"];    list_c:100 -> sl:100 [color = "#FADCAD"];    list_c:0 -> sl:0 [color = "#FADCAD"];    list_c:123 -> sl:123 [color = "#FADCAD"];}" />

三个列表的值分别为：

• 列表 A ： [20130101, 300, 10086] ，
• 列表 B ： [81, 12345678910, 999] ，
• 列表 C ： [100, 0, -25, 123] 。

Note

共享对象只能被带指针的数据结构使用。

需要提醒的一点是，共享对象只能被字典和双端链表这类能带有指针的数据结构使用。

像整数集合和压缩列表这些只能保存字符串、整数等字面值的内存数据结构，就不能使用共享对象。

引用计数以及对象的销毁

当将 redisObject 用作数据库的键或者值，而不是用来储存参数时，对象的生命期是非常长的，因为 C 语言本身没有自动释放内存的相关机制，如果只依靠程序员的记忆来对对象进行追踪和销毁，基本是不太可能的。

另一方面，正如前面提到的，一个共享对象可能被多个数据结构所引用，这时像是“这个对象被引用了多少次？”之类的问题就会出现。

为了解决以上两个问题，Redis 的对象系统使用了引用计数 技术来负责维持和销毁对象，它的运作机制如下：

• 每个 redisObject 结构都带有一个 refcount 属性，指示这个对象被引用了多少次。
• 当新创建一个对象时，它的 refcount 属性被设置为 1 。
• 当对一个对象进行共享时，Redis 将这个对象的 refcount 增一。
• 当使用完一个对象之后，或者取消对共享对象的引用之后，程序将对象的 refcount 减一。
• 当对象的 refcount 降至 0 时，这个 redisObject 结构，以及它所引用的数据结构的内存，都会被释放。

小结

• Redis 使用自己实现的对象机制来实现类型判断、命令多态和基于引用计数的垃圾回收。
• 一种 Redis 类型的键可以有多种底层实现。
• Redis 会预分配一些常用的数据对象，并通过共享这些对象来减少内存占用，和避免频繁地为小对象分配内存。

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