Redis 資料結構剖析#

Redis 是一個高效能的記憶體資料庫，其核心就是常用資料結構的封裝。

五大資料類型與底層實作#

flowchart LR
    subgraph 資料類型
        S[String]
        L[List]
        H[Hash]
        ST[Set]
        SS[Sorted Set]
    end

    subgraph 小資料量
        S1[字串]
        L1[壓縮列表]
        H1[壓縮列表]
        ST1[有序陣列]
        SS1[壓縮列表]
    end

    subgraph 大資料量
        S2[字串]
        L2[雙向鏈結串列]
        H2[散列表]
        ST2[散列表]
        SS2[跳表]
    end

    S --> S1
    S1 -.->|資料增長| S2
    L --> L1
    L1 -.->|資料增長| L2
    H --> H1
    H1 -.->|資料增長| H2
    ST --> ST1
    ST1 -.->|資料增長| ST2
    SS --> SS1
    SS1 -.->|資料增長| SS2

    style L1 fill:#e3f2fd
    style H1 fill:#e3f2fd
    style SS1 fill:#e3f2fd
    style L2 fill:#fff3e0
    style H2 fill:#fff3e0
    style SS2 fill:#fff3e0

Redis 在資料量小時使用更節省記憶體的結構，資料量大時切換到更高效的結構。這是時間與空間權衡的典型案例。

壓縮列表 (Ziplist)#

一種類似陣列的連續記憶體結構，但允許儲存不同大小的元素。

結構#

[總長度][尾偏移][元素數][元素1長度][元素1][元素2長度][元素2]...[結束標記]

特點#

• 優點：節省記憶體，快取友好
• 缺點：不支援隨機存取，需連續記憶體

使用條件#

雙向鏈結串列#

當 List 資料量超過閾值時切換使用。

typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;
    struct listNode *next;
    void *value;
} listNode;

typedef struct list {
    listNode *head;
    listNode *tail;
    unsigned long len;
    // ...其他欄位
} list;

散列表 (Hash)#

• 雜湊函式：MurmurHash2（速度快、隨機性好）
• 衝突解決：鏈結法
• 擴縮容：漸進式 rehash

擴縮容觸發條件#

漸進式 Rehash：將資料搬移分批進行，避免一次性搬移導致服務停頓。

跳表 (Skip List)#

用於 Sorted Set 的大資料量實作。

為什麼用跳表而不是紅黑樹？#

資料持久化#

Redis 主要作為記憶體資料庫，但支援持久化到磁碟。

兩種持久化策略#

1. 清除結構，只存資料（Redis 採用）

   • 優點：儲存格式簡單
   • 缺點：恢復時需重建結構（如重新計算雜湊值）

2. 保留結構格式

   • 優點：恢復快速
   • 缺點：儲存格式複雜

Redis 重啟並不頻繁，選擇第一種方案在大多數場景下是可接受的。

設計啟示#

1. 按資料量選擇結構：小資料用省空間的，大資料用高效能的
2. 漸進式操作：避免阻塞主執行緒
3. 簡單優先：跳表比紅黑樹更適合實際工程