redis hash底層實(shí)現(xiàn)原理

Redis是一個(gè)開源的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，使用鍵值對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，Redis中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一就是哈希（Hash），它提供了一種將多個(gè)字段（Field）存儲(chǔ)在一個(gè)鍵（Key）中的方法。那么Redis的哈希數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？本文將詳細(xì)介紹Redis哈希底層的實(shí)現(xiàn)原理。

在Redis中，每個(gè)哈希都是由一個(gè)類似于字典（Dictionary）的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其中使用鏈地址法解決哈希沖突。整個(gè)哈希表的結(jié)構(gòu)如下所示：

typedef struct dict {
dictType *type;
void *privdata;
dictht ht[2];
int rehashidx; /* rehashing 進(jìn)度標(biāo)識(shí)，當(dāng)進(jìn)行漸進(jìn)式rehash時(shí)，這個(gè)值表示目前操作的(ht[0]或者h(yuǎn)t[1])桶的索引位置*/
int iterators; /* number of iterators currently running 哈希表上目前運(yùn)行的迭代器數(shù)量*/
} dict;
typedef struct dictht {
dictEntry **table; /* 哈希表數(shù)組，每個(gè)元素都是指向dictEntry結(jié)構(gòu)的指針（指針數(shù)組） */
unsigned long size; /* 哈希表大小，是桶數(shù)，不能大于2^32 */
unsigned long sizemask; /* 哈希表大小掩碼，用于計(jì)算索引值，等于size-1，位運(yùn)算提高性能 */
unsigned long used; /* 哈希表已有節(jié)點(diǎn)數(shù)量 */
} dictht;
typedef struct dictEntry {
void *key;
union {
void *val;
uint64_t u64;
int64_t s64;
double d;
} v;
struct dictEntry *next; /* 鏈地址法解決沖突 */
} dictEntry;

上述代碼中的dict結(jié)構(gòu)表示一個(gè)哈希表，其中ht[0]表示當(dāng)前哈希表，ht[1]表示進(jìn)行漸進(jìn)式rehash時(shí)的輔助哈希表（當(dāng)需要對(duì)哈希表進(jìn)行擴(kuò)容時(shí)，會(huì)使用輔助哈希表提前申請(qǐng)新的內(nèi)存）。

而dictht結(jié)構(gòu)表示哈希表內(nèi)部的哈希數(shù)組，table是一個(gè)指針數(shù)組，將哈希桶中的元素以鏈表的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

對(duì)于每個(gè)哈希鍵值對(duì)，Redis使用dictEntry結(jié)構(gòu)來(lái)表示，其中key是一個(gè)指向鍵的指針，v是一個(gè)聯(lián)合體，可以存儲(chǔ)不同類型的值（Redis值對(duì)象），例如整型、浮點(diǎn)型、字符串等。

具體來(lái)說(shuō)，Redis哈希底層實(shí)現(xiàn)的步驟如下：

1. 根據(jù)鍵值對(duì)的鍵，通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算出哈希值。
2. 根據(jù)哈希值計(jì)算出存儲(chǔ)位置（索引）。
3. 在哈希表中找到對(duì)應(yīng)索引位置的哈希桶（鏈表），然后遍歷整個(gè)鏈表，查找是否有相同鍵的節(jié)點(diǎn)。
4. 如果找到相同鍵的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)操作類型進(jìn)行更新或刪除操作。
5. 如果沒有找到相同鍵的節(jié)點(diǎn)，則創(chuàng)建新的節(jié)點(diǎn)并將其插入到鏈表中。

下面是哈希表的插入、查找、刪除的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：

1. 插入：首先通過(guò)哈希函數(shù)將鍵轉(zhuǎn)換為哈希值，并計(jì)算出插入位置。然后，查詢?cè)撐恢脤?duì)應(yīng)的哈希桶，遍歷鏈表，查找是否已經(jīng)存在相同的鍵。如果存在相同鍵，則更新對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的值。如果不存在相同鍵，則創(chuàng)建新的節(jié)點(diǎn)并將其插入到鏈表首部。如果鏈表長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)（超過(guò)一定閾值），則將鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹（時(shí)間復(fù)雜度由O(n)降低為O(log n)）。
2. 查找：通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算鍵對(duì)應(yīng)的哈希值，然后在哈希表中查找對(duì)應(yīng)索引的哈希桶。遍歷鏈表，查找是否存在相同鍵的節(jié)點(diǎn)。如果存在，則返回節(jié)點(diǎn)的值；如果不存在，則返回空指針。
3. 刪除：通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算鍵對(duì)應(yīng)的哈希值，然后在哈希表中查找對(duì)應(yīng)索引的哈希桶。遍歷鏈表，查找是否存在相同鍵的節(jié)點(diǎn)。如果存在，則刪除該節(jié)點(diǎn)，并釋放其內(nèi)存；如果不存在，則不進(jìn)行任何操作。

需要注意的是，在Redis中，哈希表的擴(kuò)容和縮容是通過(guò)漸進(jìn)式rehash來(lái)實(shí)現(xiàn)的。漸進(jìn)式rehash的過(guò)程分為兩個(gè)階段，首先，Redis會(huì)在擴(kuò)容時(shí)創(chuàng)建一個(gè)新的輔助哈希表（ht[1]），然后將原有哈希表（ht[0]）中的節(jié)點(diǎn)逐個(gè)遷移到輔助哈希表中。在這個(gè)過(guò)程中，Redis會(huì)通過(guò)rehashidx來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前操作的桶的索引位置。當(dāng)遷移完成后，Redis會(huì)停止對(duì)ht[0]的操作，并釋放其內(nèi)存。

綜上所述，Redis的哈希底層實(shí)現(xiàn)主要是基于字典結(jié)構(gòu)和鏈地址法解決哈希沖突的思想。通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算鍵對(duì)應(yīng)的哈希值，并在哈希表中查找對(duì)應(yīng)的哈希桶。通過(guò)遍歷鏈表或者紅黑樹，實(shí)現(xiàn)插入、查找和刪除等操作。此外，Redis還使用漸進(jìn)式rehash來(lái)實(shí)現(xiàn)哈希表的擴(kuò)容和縮容。通過(guò)這些實(shí)現(xiàn)，Redis的哈希數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠高效地存儲(chǔ)和操作大量的鍵值對(duì)數(shù)據(jù)。