autumn-recruitment/03.Redis/core/Redis 五大核心数据结构.md

---
tags: [redis, data-structures, sds, quicklist, skiplist]
create time: 2026-08-08 18:43
update time: 2026-08-08 18:43
---

# Redis 五大核心数据结构

## 概述

Redis 的性能基石在于其精心设计的底层数据结构。Redis 的每个值都有多种编码（encoding），会根据数据规模和内容自动切换，在内存占用和操作效率之间寻找最优解。理解这些编码的切换策略，是面试中的高频考点，也是性能调优的关键前提。

## 核心原理

### String — SDS（Simple Dynamic String）

Redis 的 String 类型不是直接用 C 字符串，而是用 SDS（Simple Dynamic String）结构。SDS 的定义如下：

```c
struct sdshdr {
    int len;        //  buf 中已使用的字节数
    int free;       //  buf 中未使用的字节数
    unsigned char flags; //  低3位标记类型：SDS_TYPE_5/8/10/16/32
    char buf[];     //  可变长度字符数组，以 \0 结尾
};
```

> [!NOTE]
> SDS 有 5 种格式（SDS_TYPE_5 到 SDS_TYPE_32），通过 `flags` 字段的低 3 位区分。SDS_TYPE_5 用于短字符串（len < 32），直接内嵌在 dictEntry 中而不分配独立对象。

**为什么不用 C 字符串？**

| 问题 | C 字符串 | SDS |
|------|---------|-----|
| O(N) 获取长度 | strlen 遍历计数 | len 字段 O(1) |
| 缓冲区溢出风险 | strcpy/strcat 不安全 | 分配时检查空间 |
| 修改需重新分配 | 每次可能 realloc | 惰性空间释放（free 保留） |
| 二进制安全 | 遇 \0 截断 | 记录 len，可存任意二进制数据 |

**innative 优化**：从 Redis 7.0 开始，小字符串使用 SDS_TYPE_5 直接存储在 dictEntry 的键槽中，完全避免额外的堆分配，减少内存碎片和 malloc 开销。

### List — quicklist

Redis 3.2 之前用 ziplist + linkedlist 实现 List，3.2 之后统一为 **quicklist**。

quicklist 是一个双向链表，每个节点（quicklistNode）是一个 ziplist 或 listpack（Redis 7.0+）。通过 `list-max-ziplist-size` 控制每个节点的压缩列表大小：

| list-max-ziplist-size 值 | 含义 |
|--------------------------|------|
| 正数 N | 该节点最多 N 个元素 |
| -1 | 每节点不限（仅受 memory 约束） |
| -2 | 每节点 <= 8KB |
| -3 | 每节点 <= 4KB |
| -4 | 每节点 <= 2KB |
| -5 | 每节点 <= 1KB（默认） |

```go
// Go 伪代码示意 quicklist 的结构
type quicklist struct {
    head *quicklistNode
    tail *quicklistNode
    count int64   // 总元素数
    zipsize int // list-max-ziplist-size 全局配置
}

type quicklistNode struct {
    prev *quicklistNode
    next *quicklistNode
    ptr  unsafe.Pointer // 指向 ziplist/listpack
    sz   uint32         // 字节大小
}
```

### Hash — zipmap / hashtable 切换

Hash 有两种编码，根据数据和元素数量自动切换：

- **zipmap**（Redis 4.0 之前）→ 当元素数量 >= 512 且最大 value 长度 < 64 字节时使用 hashtable
- **ziplist**（Redis 4.0 ~ 5.x）→ 元素数量 <= 512 且所有 value 长度 < 64 字节
- **hashtable**（Redis 4.0+ 默认）→ 只要有一个 value > 64 字节 或 元素数 > 512 就切换到 hashtables

> [!WARNING]
> Redis 4.0+ 废弃了 ziplist 作为 Hash 编码，默认始终使用 hashtable。这是因为 ziplist 插入删除的均摊代价在大数据量下反而更高。ziplist 编码目前仅在 ZSet 场景中保留。

### Set — intset → hashtable 切换

Set 编码切换逻辑非常直观：

```mermaid
graph TD
    A["Set 创建"] --> B{"所有元素都是整数?"}
    B -->|是| C["intset 编码"]
    B -->|否| D["hashtable 编码"]
    C --> E{"新加入的元素仍是整数?"}
    E -->|是| F["继续 intset"]
    E -->|否| G["转换为 hashtable"]
    D --> H["维持 hashtable"]
```

- **intset**：有序整数集合，紧凑排列在连续内存中。支持 int16_t、int32_t、int64_t 三种格式，升级时 realloc 整个结构（不可降级）。
- **hashtable**：通用哈希表，任何类型的成员都能存储。

### ZSet — skiplist + ziplist / quicklist 切换

ZSet 是最复杂的结构，组合了两层编码：

- **ziplist**（Redis 5.0 之前）/ **quicklist**（Redis 5.0+）：当元素少且值小时用压缩列表存储
- **skiplist + hashtable**：标准模式，跳表按 score 排序，hashtable 按 member 做 O(1) 查找

> [!TIP]
> 面试常考：跳表的平均查找复杂度 O(log N)，最坏 O(N)；Redis 跳表通过限制随机层级上限（maxlevel=32）和控制概率 p=0.25，保证最坏情况也在可接受范围。跳表节点包含：score（分数）、member（成员）、back（后退指针）、forward（多层前进指针数组）。

## 代码示例

以下展示如何查看 Redis 对象的内部编码：

```bash
# Redis CLI 中查看键的内部编码
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODED mykey
"ziplist"   # 或 "skiplist", "hashtable", "intset"
```

```go
// Go 中使用 Redigo 库观察 Redis 行为
import "github.com/gomodule/redigo/redis"

conn, _ := redis.Dial("tcp", "localhost:6379")
defer conn.Close()

// HSET 少量数据 → ziplist/hashmap
conn.Do("HSET", "user:1", "name", "alice", "age", "25")
// 数据量大后自动切 hashtable —— 用户无感知
```

## 实践场景

1. **Hash 内存优化**：对于一个用户有几十个字段的小 Hash，手动合并成单个 Key（如 `user:1:name`）不如用一个 Hash 结构 `user:1`，因为 ziplist 能省大量内存。

2. **ZSet 排行榜实现**：电商商品销量排名、社交媒体点赞排行等场景天然适合 ZSet。`ZREVRANGEBYSCORE` 可以高效取 Top-N。

3. **List 替代方案**：如果 List 只用两端操作（LPUSH + RPOP），本质上是个队列；但 quicklist 的中间节点插入在大数据量时会有 O(N) 成本，考虑用 Stream 替代。

## 关联笔记

- [[03.Redis/core/RDB 与 AOF 持久化]]
- [[03.Redis/core/集群与哨兵机制]]
- [[03.Redis/strategies/多级缓存架构设计]]
- [[03.Redis/strategies/缓存穿透击穿雪崩解决方案]]