這篇文章，我們將從 Redis List 的基本原理出發(fā)，深入分析其內(nèi)部實現(xiàn)機制、源碼層面的細節(jié)，并結(jié)合實際示例，全面解析 Redis List 的工作原理。

一、Redis List 概述

Redis 的 List 是一個簡單的字符串列表，按照插入順序排序。它支持在列表的兩端插入或刪除元素，具有以下特點：

• 有序：元素按照插入順序排列，可以通過索引訪問。
• 雙端操作：支持從左端（頭部）和右端（尾部）進行插入和刪除操作。
• 高效：在兩端插入和刪除的時間復(fù)雜度為 O(1)。

常用的 List 命令包括 LPUSH、RPUSH、LPOP、RPOP、LINDEX、LRANGE 等。

二、Redis List 的內(nèi)部實現(xiàn)

Redis 的 List 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部實現(xiàn)主要依賴于兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：壓縮列表（ziplist）和雙端鏈表（quicklist）。根據(jù) List 的大小和元素的長度，Redis 會自動選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化存儲空間和操作效率。

1. 壓縮列表

壓縮列表 是一種為節(jié)省內(nèi)存而設(shè)計的緊湊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它將多個元素緊密存儲在一個連續(xù)的內(nèi)存塊中，適用于小型的 List。

• 結(jié)構(gòu)：壓縮列表由三個部分組成：ziplist header、entry list 和 ziplist end。
• 性能：適用于含有少量元素且每個元素較短的 List，節(jié)省內(nèi)存但在頻繁插入和刪除時性能較低。

2. 雙端鏈表

從 Redis 3.2 版本開始，List 的內(nèi)部實現(xiàn)改為使用 quicklist，它結(jié)合了壓縮列表和雙向鏈表的優(yōu)點。

結(jié)構(gòu)：quicklist 是由多個壓縮列表（ziplist）組成的雙向鏈表，每個壓縮列表稱為一個節(jié)點（node）。

優(yōu)勢：

• 高效插入與刪除：在兩端插入和刪除元素時，只需要操作鏈表的頭部或尾部節(jié)點，時間復(fù)雜度為 O(1)。
• 節(jié)省空間：每個節(jié)點內(nèi)部仍然使用壓縮列表存儲元素，節(jié)省內(nèi)存。

靈活性：適用于包含大量元素的 List。

三、源碼分析

下面將通過源碼分析 Redis List 的實現(xiàn)機制，重點關(guān)注 quicklist 相關(guān)的代碼部分。

1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

Redis 在 src/quicklist.h 文件中定義了 quicklist 相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

// quicklist.h

typedefstruct quicklistEntry {
    unsignedchar *value; /* value of the entry */
    unsignedint sz;      /* length of the value */
    longlong longval;    /* long representation, if applicable */
    unsignedint encoding:4;
    unsignedint attempted_float_conversion:1;
} quicklistEntry;

typedefstruct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;
    struct quicklistNode *next;
    unsignedchar *zl;     /* ziplist containing some entries */
    unsignedint sz;       /* byte size of ziplist */
    unsignedint count:16;
    unsignedint encoding:4;
    unsignedint container:4;
    unsignedint recompress:1;
} quicklistNode;

typedefstruct quicklist {
    quicklistNode *head;
    quicklistNode *tail;
    const quicklistCompress *compress;
    unsignedint count;    /* total count of all entries in all the nodes */
    unsignedlong len;    /* count of all elements */
    unsignedlong maxlevel;
    unsignedint fill:16;
    unsignedint compress_depth:4;
    unsignedint mem_compressed:1;
} quicklist;

主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：

• quicklistEntry：表示 quicklist 中的一個條目（entry）。
• quicklistNode：表示 quicklist 中的一個節(jié)點，包含一個 ziplist。
• quicklist：整個 quicklist 結(jié)構(gòu)，包含頭尾節(jié)點、統(tǒng)計信息等。

2. 常用命令的實現(xiàn)

以下將以 LPUSH、RPUSH、LPOP、RPOP、LINDEX、LRANGE 等命令為例，分析它們在源碼中的實現(xiàn)。

3. LPUSH 和 RPUSH

LPUSH 和 RPUSH 用于在 List 的左端和右端插入元素。它們在 quicklist 中的實現(xiàn)主要涉及調(diào)用 quicklistPush 函數(shù)。

// listOp.c

void quicklistPush(quicklist *quicklist, void *value, size_t sz, int where) {
    // 省略參數(shù)檢查和類型轉(zhuǎn)換

    if (where == QUICKLIST_HEAD) {
        // 插入到鏈表頭部
        // 如果頭節(jié)點已滿，創(chuàng)建新節(jié)點
    } else {
        // 插入到鏈表尾部
        // 如果尾節(jié)點已滿，創(chuàng)建新節(jié)點
    }

    // 使用 ziplist 插入元素
    // 更新統(tǒng)計信息
}

核心邏輯：

• 判斷插入的位置（頭部或尾部）。
• 檢查對應(yīng)位置的節(jié)點是否有足夠空間插入新元素。
• 如果節(jié)點已滿，創(chuàng)建一個新的節(jié)點并插入。
• 在對應(yīng)節(jié)點的 ziplist 中插入新元素。
• 更新 quicklist 的統(tǒng)計信息。

4. LPOP 和 RPOP

LPOP 和 RPOP 用于從 List 的左端和右端彈出元素。它們主要調(diào)用 quicklistPopCustom 函數(shù)。

// listPop.c

int quicklistPopCustom(quicklist *quicklist, int where, long long *v, unsigned char **sval, unsigned int *slen) {
    if (where == QUICKLIST_HEAD) {
        // 從頭部節(jié)點的 ziplist 彈出元素
        // 如果節(jié)點為空，刪除節(jié)點并移動到下一個節(jié)點
    } else {
        // 從尾部節(jié)點的 ziplist 彈出元素
        // 如果節(jié)點為空，刪除節(jié)點并移動到前一個節(jié)點
    }

    // 更新統(tǒng)計信息和 quicklist 結(jié)構(gòu)
}

核心邏輯：

• 根據(jù)彈出的位置，選擇頭部或尾部節(jié)點。
• 從對應(yīng)節(jié)點的 ziplist 中彈出元素。
• 如果節(jié)點為空，刪除節(jié)點并更新鏈表指針。
• 更新 quicklist 的統(tǒng)計信息。

5. LINDEX

LINDEX 用于獲取 List 中指定索引的元素。它調(diào)用 quicklistIndex 函數(shù)。

// listIndex.c

quicklistEntry *quicklistIndex(quicklist *quicklist, long index) {
    // 處理負索引
    // 遍歷 quicklist 中的節(jié)點，累加節(jié)點中元素的數(shù)量
    // 找到包含目標索引的節(jié)點
    // 在節(jié)點的 ziplist 中查找具體的元素
}

核心邏輯：

• 處理負索引（從尾部開始計數(shù)）。
• 遍歷 quicklist 的節(jié)點，累加每個節(jié)點的元素數(shù)量。
• 確定目標索引所在的節(jié)點。
• 在該節(jié)點的 ziplist 中查找目標元素。

6. LRANGE

LRANGE 用于獲取 List 中指定范圍的元素。它調(diào)用 quicklistGetRange 函數(shù)。

// listRange.c

quicklistIter *quicklistGetIterator(quicklist *quicklist, int direction) {
    // 創(chuàng)建一個迭代器，從頭部或尾部開始遍歷 quicklist
}

int quicklistNext(quicklistIter *i, quicklistEntry *entry) {
    // 通過迭代器遍歷 quicklist 中的元素
}

核心邏輯：

• 創(chuàng)建一個迭代器，指定遍歷方向（從頭到尾或從尾到頭）。
• 遍歷 quicklist 的節(jié)點和節(jié)點內(nèi)的 ziplist，收集指定范圍的元素。
• 返回結(jié)果集合。

四、性能優(yōu)化與選擇

Redis 在 List 的內(nèi)部實現(xiàn)中，通過 quicklist 結(jié)構(gòu)在節(jié)省內(nèi)存和提高操作效率之間取得了平衡。以下是一些性能優(yōu)化的考慮：

• 節(jié)點大小（fill factor）：quicklist 中每個節(jié)點的 ziplist 有一個填充因子（默認是 4），決定了多少元素被存儲在一個節(jié)點中。適當?shù)奶畛湟蜃涌梢詼p少節(jié)點數(shù)量，提高遍歷效率。
• 壓縮算法：quicklist 支持多種壓縮算法，通過配置可以進一步優(yōu)化內(nèi)存使用。
• 迭代器機制：通過迭代器遍歷 quicklist，提高了操作的靈活性和效率。

在選擇使用 List 時，應(yīng)根據(jù)實際需求和數(shù)據(jù)規(guī)模合理設(shè)計，避免在極大的 List 上進行頻繁的中間位置插入和刪除操作，因為這可能導(dǎo)致性能下降。

五、為什么List底層有兩種實現(xiàn)

List 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的底層采用了 壓縮列表（ziplist） 和 雙端鏈表（quicklist） ，其實是 內(nèi)存效率 與 操作性能 之間取得最佳平衡。主要原因如下：

1. 壓縮列表

內(nèi)存節(jié)省：壓縮列表是一種為節(jié)省內(nèi)存而設(shè)計的緊湊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它將多個元素緊密存儲在一個連續(xù)的內(nèi)存塊中，避免了傳統(tǒng)鏈表中每個節(jié)點需要額外指針（如前驅(qū)和后繼指針）帶來的內(nèi)存開銷。對于包含少量元素且每個元素較短的小型列表，壓縮列表能夠顯著減少內(nèi)存使用量。

緩存友好性：由于壓縮列表將所有元素存儲在一個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域中，這種布局有助于提升緩存命中率。CPU 在訪問數(shù)據(jù)時，能夠更高效地預(yù)取和緩存數(shù)據(jù)，從而提高訪問速度。

簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：壓縮列表的實現(xiàn)相對簡單，適用于不需要頻繁插入和刪除操作的場景。對于靜態(tài)或變化不大的小型列表，壓縮列表提供了足夠的性能和內(nèi)存效率。

2. 雙端鏈表

高效的兩端操作：雙端鏈表允許在列表的頭部和尾部進行高效的插入和刪除操作，時間復(fù)雜度為 O(1)。這對于需要頻繁在兩端進行操作的應(yīng)用場景（如隊列和棧）尤為重要。

動態(tài)擴展能力：與壓縮列表相比，雙端鏈表更適合處理動態(tài)變化較大的列表。它能夠靈活地在任意位置插入和刪除元素，而不會像壓縮列表那樣需要整體移動內(nèi)存塊。

分段存儲與性能優(yōu)化：Quicklist 通過將列表分段存儲，每個段使用壓縮列表（ziplist）作為節(jié)點，實現(xiàn)了分塊管理。這種設(shè)計兼具了壓縮列表的內(nèi)存效率和雙端鏈表的操作性能。具體來說，每個 quicklist 節(jié)點內(nèi)部是一個壓縮列表，多個節(jié)點通過雙端鏈表連接起來。這樣，在需要進行插入或刪除操作時，僅需操作相關(guān)的節(jié)點，而不影響整個列表結(jié)構(gòu)。

Redis 會根據(jù)列表的長度和元素的大小，自動決定使用壓縮列表還是雙端鏈表。這種智能選擇機制確保了在不同場景下都能獲得最佳的性能和內(nèi)存使用率。例如：

• 小型列表：當列表較小且元素較短時，Redis 會選擇壓縮列表，最大化內(nèi)存節(jié)省和緩存效率。
• 大型列表：當列表變得較大或元素較長時，Redis 會轉(zhuǎn)而使用 quicklist，以提升操作性能和擴展能力。

六、總結(jié)

本文，我們從源碼角度分析了 Redis 的 List 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是一個高效、靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，適用于多種應(yīng)用場景，如消息隊列、任務(wù)管理等。通過內(nèi)部的 quicklist 結(jié)構(gòu)，Redis 在節(jié)省內(nèi)存和優(yōu)化操作效率方面做出了平衡。通過學習本文，我們也可以發(fā)現(xiàn) Redis 對性能的追求。