字典

簡介

• 字典又稱符號(hào)表，映射或關(guān)聯(lián)數(shù)組，是一種保存鍵值對的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• Redis數(shù)據(jù)庫的底層也是用字典實(shí)現(xiàn)的，對數(shù)據(jù)庫的增刪改查也是基于對字典的操作之上的。
• 字典還是哈希鍵的底層實(shí)現(xiàn)之一，當(dāng)哈希鍵對比較多或者鍵值對中的元素都是比較長的，Redis就會(huì)使用字典作為底層實(shí)現(xiàn)。

字典實(shí)現(xiàn)

字典的實(shí)現(xiàn)是以哈希表作為它的底層實(shí)現(xiàn)，一個(gè)哈希表可以有多個(gè)哈希表節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存了字典中的一個(gè)鍵值對。
1.哈希表節(jié)點(diǎn)
key就是鍵，v就是鍵中的值（可以是指針，unit64_t 整數(shù)， int64_t s64整數(shù)），next是將另外一個(gè)哈希值相同的鍵值對連接在一起的指針（為了解決沖突）

typedef struct dictEntry{void *key;union{void *var;unit64_t u64;int64_t s64;}v;struct dictEntry *next; }

2.哈希表
table屬性是一個(gè)數(shù)組，數(shù)組中每個(gè)元素都指向一個(gè)哈希表節(jié)點(diǎn) ，每個(gè)哈希表節(jié)點(diǎn)都保存著一個(gè)鍵值對。
size記錄了哈希表的大小，也就是table數(shù)組的大小。
used屬性記錄哈希表目前已有哈希表節(jié)點(diǎn)（鍵值對）的數(shù)量。
sizemask總是等于size-1（這個(gè)屬性和哈希值一起決定一個(gè)鍵應(yīng)該被放到table的那個(gè)索引上）。

typedef struct dictht{dictEntry **table；unsigned long size；unsigned long sizemask；unsigned long used； }dictht；

3.字典
type和pribdata是配套的，針對不同類型的鍵值對，為創(chuàng)建多態(tài)字典而設(shè)置的。
type指向dictType結(jié)構(gòu)的指針，每一個(gè)dictType里都保存了一簇用于操作特定類型鍵值對的函數(shù)（為用途不同的字典設(shè)置不同的類型特定函數(shù)）。
privdata保存了需要傳給那些類型特定函數(shù)的可選參數(shù)（也就是在dictType結(jié)構(gòu)體中的參數(shù)）。
ht包含了兩項(xiàng)數(shù)組，每個(gè)項(xiàng)都是dictht哈希表，字典只使用ht[0]哈希表，ht[1]只會(huì)在ht[0]rehash時(shí)使用，除了ht[1]之外另一個(gè)和rehash（重新散列）有關(guān)的就是rehashidx（記錄rehash進(jìn)度，若沒在進(jìn)行rehash則值為-1）.

typedef struct dict{dicType *type；void *pribdata；dictht ht[2];int trehashidx; }dict; /* 保存一連串操作特定類型鍵值對的函數(shù) */ typedef struct dictType {uint64_t (*hashFunction)(const void *key); /* 哈希函數(shù) */void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key); /* 復(fù)制鍵函數(shù) */void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj); /* 復(fù)制值函數(shù) */int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2); /* 比較鍵函數(shù) */void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key); /* 銷毀鍵函數(shù) */void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj); /* 銷毀值函數(shù) */ } dictType;

這就是字典實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果要數(shù)據(jù)庫性能好，還是要用一些性能較好的算法，Redis使用的MurmurHash2算法來計(jì)算鍵的哈希值（數(shù)據(jù)庫的底層實(shí)現(xiàn)或者哈希鍵的底層實(shí)現(xiàn)）。

哈希算法

在我們需要把一個(gè)新的鍵值對加入到字典里，程序得先根據(jù)鍵值對的鍵計(jì)算出哈希值和索引值，然后根據(jù)索引，將新鍵值對的哈希表節(jié)點(diǎn)方法哈希表數(shù)組的指定索引（位置）上，這都是由哈希算法來完成的。哈希算法的設(shè)計(jì)推理就不寫了，因?yàn)檫@個(gè)是一個(gè)很復(fù)雜的過程。
Redis計(jì)算哈希值和索引值的方法

//用字典設(shè)置的哈希函數(shù)計(jì)算key的哈希值 hash = dict->type->hashFunction(key); //利用哈希表的sizemask和哈希值來計(jì)算出索引值，h[x]可以是h[1]或h[0]因情況而定。 index = hash & dict->ht[x].sizemask;

這種算法的優(yōu)點(diǎn)就是：對于輸入有規(guī)律的鍵仍能給出一個(gè)很好的隨機(jī)分布性而且計(jì)算速度也很快！但是呢，這種算法可能會(huì)出現(xiàn)沖突，因此要避免沖突就得由個(gè)解決沖突的辦法？（在前面提到過）

解決鍵沖突

什么是沖突：因?yàn)樗惴▓?zhí)行時(shí)會(huì)有可能多個(gè)鍵被分配到哈希數(shù)組的同一個(gè)索引上。
Redis中解決鍵沖突采用的是鏈地址法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)next指針，構(gòu)成沖突的節(jié)點(diǎn)可以用next指針構(gòu)成一個(gè)單鏈表來共同占有同一個(gè)索引。這個(gè)解決方法也是解決沖突比較經(jīng)典的方法，也是比較簡單的方法。

rehash

rehash是什么？為什么要rehash？
rehash是重新散列的意思，因?yàn)樵诓粩嗟膱?zhí)行中，哈希表保存的鍵值對在逐漸增多或減少，為了讓哈希表的負(fù)載因子（load factor）維持在合理范圍內(nèi)，當(dāng)哈希表中的鍵值對過多或者過少時(shí)，需要對表的大小進(jìn)行擴(kuò)展或收縮。
哈希表執(zhí)行rehash的步驟：
1.為字典的ht[1]分配空間，此哈希表的大小取決于要執(zhí)行的操作和h[0]包含的鍵值對的數(shù)量（ht[0].used）

• 擴(kuò)展操作：h[1]的大小等于第一個(gè)大于ht[0].used*2的2的n次方。
• 收縮操作：h[1]的大小等于第一個(gè)大于ht[0].used的2的n次方。

2.將保存在ht[0]中的鍵值對到ht[1]上：重新計(jì)算哈希值和索引，然后將鍵值對放到ht[1]哈希表的指定位置上。
3. ht[0]遷移到ht[1]后，ht[0]變?yōu)榭毡砣缓筢尫诺?#xff0c;然后再將ht[1]設(shè)置為ht[0]，并再ht[1]位置上新建一個(gè)空白的哈希表，供下一次rehash使用。

哈希表的自動(dòng)擴(kuò)展與收縮

如果在負(fù)載因子不合理時(shí)沒有進(jìn)行手動(dòng)的rehash的話，那系統(tǒng)會(huì)在某些條件成立下自動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)展或收縮。
哈希表的負(fù)載因子求法：負(fù)載因子=以保存節(jié)點(diǎn)數(shù)量/哈希表大小

load_factor = ht[0].userd/ht[0].size

• ?

• 當(dāng)系統(tǒng)滿足以下的任意一個(gè)條件程序就會(huì)自動(dòng)開始對哈希表執(zhí)行擴(kuò)展操作：
  1.服務(wù)器目前沒在執(zhí)行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令并且哈希表的負(fù)載因子大于1
  2.服務(wù)器目前正執(zhí)行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令并且負(fù)載因子大于5
• 當(dāng)系統(tǒng)滿足負(fù)載因子小于0.1，就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行收縮操作。

漸進(jìn)式rehash

其實(shí)在擴(kuò)展或者收縮哈希表的時(shí)候并不是一次性，集中性的執(zhí)行的，而是分多次，漸進(jìn)式地完成的。
漸進(jìn)式的詳細(xì)步驟：
1.為ht[1]分配空間，此時(shí)字典同時(shí)有ht[0]和ht[1]兩個(gè)哈希表。
2.在字典中維持一個(gè)索引計(jì)數(shù)器變量rehashidx，并設(shè)為0，表示rehash正式開始。
3.在rehash期間，每次對字典進(jìn)行添加，刪除，查找，更新時(shí)，程序除了執(zhí)行指定操作以外，還會(huì)順帶將ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有鍵值對rehash到ht[1]上，rehash完成，然后rehashidx+1。
4.直到全部內(nèi)移到ht[1]，這時(shí)rehashidx屬性的值設(shè)為-1，表示rehash操作完成。
采取分而治之的方式，將rehash鍵值對所需的工作均攤到對字典的增刪改查上，避免了集中式rehash帶來的龐大計(jì)算量。

漸進(jìn)式rehash執(zhí)行期間的哈希表操作

因?yàn)樵趓ehash期間字典會(huì)同時(shí)使用ht[0]和ht[1]，因此，增刪改查會(huì)在兩個(gè)哈希表上進(jìn)行，比如查詢操作，先對0表掃描如果沒找到，就再從1表里找。注意的是，如果在此期間進(jìn)行插入操作的話，那就會(huì)插入到1表，而不是0表。因?yàn)椴迦氲?表就沒意義了等于浪費(fèi)體力。也保證了0表只減不增。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Redis设计于实现之字典的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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