redis 字典的实现
原创
作者：张鹏
最近研究了一下redis里面字典的实现，redis作为高效的内存存储而被广泛使用，内部实现的db结构以及多种高效的数据结构，其底层基本上就是靠字典来实现。而其字典数据结构是基于哈希表来实现的，其中一些特性的实现十分精妙。
1.数据结构
节点数据结构
因为是基于开链法的哈希表实现，所以需要维护了一个next节点
typedef struct dictEntry {
void *key;
union {
void *val;
uint64_t u64;
int64_t s64;
double d;
} v;
struct dictEntry *next;
} dictEntry;哈希表数据结构
其中size是当前哈希表的大小，used是当前使用的大小，size会根据当前used的大小来做相应的调整，调整的过程就是字典动态扩容的过程，具体过程下面会描述。sizemask＝size－1，是用来做掩码的，哈希算法算出的index，通过index&sizemask操作来代替除留余数，这么做的原因是&操作比％更快。
typedef struct dictht {
dictEntry **table;
unsigned long size;
unsigned long sizemask;
unsigned long used;
} dictht;字典数据结构
type是函数指针类型，封装了哈希函数，key比较函数，释放内存函数等等。一个高效的哈希函数能保证哈希的结果尽量均匀分布，redis中的字符串哈希算法便是著名的开源算法MurmurHash2，但是因为上层的有不同的数据结构，所以实现了不同的哈希函数。字典中维护两张哈希表，主要是用来做动态rehash的，rehashidx便是两张表动态rehash的索引。iterators是当前迭代器的个数，具体后面会详细介绍。
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;字典定义整体的结构图如下：
2.特性介绍
redis的字典实现了很多特别的东西，花式造轮子的根本原因还是从时间与空间上做考量。
动态扩容/缩容
redis的数据都是放在第一张哈希表中ht[0]中的，所谓的动态扩容就是说ht[0]那张哈希表快不够用的时候，目前是used/size > 5的时候，使用ht[1]来扩大哈希表的容量。这其中有两种方式，一种是redis提供了显示的扩容的接口dictExpand，供外部调用，另外一种是在添加数据的时候调用_dictExpandIfNeeded，以此来判断是否需要扩容。缩容就是当前哈希表使用率 used/size 低于某个值时，目前这个值是10%，利用ht[1]缩小哈希表的容量。扩容和缩容的操作就是rehash的过程。
rehash+渐进式
rehash就是将第一张ht[0]的数据迁移到ht[1]的过程，rehash实现了两种策略，一种是在定时器的每个tick里面，执行databasesCron操作的时候，还有一种是在增加查找删除等字典操作的时候执行，这样的过程可以保证rehash的时候不会阻塞redis服务器，对用户来说，也是无感知的。rehash的过程中维护了一个索引，就是上面介绍的字典结构中的rehashidx，使用这个索引遍历ht[0]，将数据无缝迁移到ht[1]。因为在rehash中的任何时刻，一个节点只能存在其中一张哈希表中，所以每次操作都需要处理两张表。
迭代器
redis里面的字典实现了两种迭代器，一种是安全的迭代器，一种是普通的迭代器。所谓安全就是指在迭代的过程中可以执行添加查找等操作，非安全的迭代器就是只能执行迭代操作。其实本质上就是安全的迭代器会给dict设置iterators++（dict里面的变量），这样字典的各种操作就不会执行rehash操作，如果在迭代的过程中执行了rehash，迭代索引就会错乱。
3.接口介绍
dict *dictCreate(dictType *type, void *privDataPtr);创建字典，目前redis中用到字典的地方有很多，包括全量的key，超时的key等等db中的kv， 命令回调表，hash结构，set结构，sortset结构等等。
int dictAdd(dict *d, void *key, void *val);添加数据，前面说到会执行rehash操作，并且如果字典底层正在rehash，索引的计算会读取两张表来判断，并且数据只会添加到第二张表里面。
dictEntry *dictFind(dict *d, const void *key)查找数据，和添加数据很类似，唯一的区别是查找数据的时候不会计算是否需要扩容。
int dictDelete(dict *d, const void *key);删除数据，和添加数据的过程类似，但是在删除数据的过程中不做缩容操作，缩容是上层负责主动调用缩容接口htNeedsResize和dictResize。
dictEntry *dictNext(dictIterator *iter)迭代字典，搭配dictGetIterator或者dictGetSafeIterator操作，前面有说到安全迭代器和非安全迭代器的区别，非安全的迭代器在初次迭代的时候会计算一个哈希值，释放迭代器的时候assert这个哈希值是否被改变了。
总结
redis字典的实现有很多有趣的特性，包括动态扩容缩容，渐进式rehash等，所有这些特性的出发点都是基于充分使用内存的角度去考虑。
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
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