字符串是Redis中一個重要的組成部分，Redis沒有直接使用C語言自帶的字符串，而是自身構(gòu)建了一個簡單動態(tài)字符串（Simple dynamic string, SDS）的抽象類型，該抽象類型不僅有額外的特性，還能兼容部分C語言內(nèi)建的字符串操作函數(shù)。

涉及的主要源代碼文件

1. sds.h
2. sds.c

SDS的定義

typedef char *sds;      //聲明一個字符串指針類型的別名

//動態(tài)字符串結(jié)構(gòu)
//總長度 = len + free + 1  (1是末尾字符串\0所占的字節(jié))
struct sdshdr {
    unsigned int len;
    unsigned int free;
    char buf[];        //flexible array member，在計算struct長度是不算在內(nèi)
};

SDS示例

SDS字符串與C字符串相比，在結(jié)構(gòu)體中定義len和free屬性，len用來記錄當前buf數(shù)組中已使用的字節(jié)空間，free記錄了buf數(shù)組中未使用的字符串空間。SDS字符串與C字符串一樣，使用了\0作為字符串結(jié)尾，但給\0字符不算入len中，因此buf數(shù)組的總大小應(yīng)為total = len + free + 1。如圖中Redis的SDS字符串buf分配的空間為10字節(jié)。\0字節(jié)的添加完全有SDS底層函數(shù)負責，使用者無需關(guān)心，也由于這個\0字符的存在，使得SDS可以重用一部分C字符串函數(shù)。

備注：sizeof(sdshdr) = 2 * sizeof(int64)，buf所占的空間為0，可參考flexible array member

SDS的關(guān)鍵實現(xiàn)細節(jié)

//得到動態(tài)字符串鎖保存字符串的長度（不含\0）
static inline size_t sdslen(const sds s) {
    struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    return sh->len;
}
//得到動態(tài)字符串的可用長度
static inline size_t sdsavail(const sds s) {
    struct sdshdr *sh = (void*)(s-(sizeof(struct sdshdr)));
    return sh->free;
}

由于SDS中記錄了自身的長度len，因此獲取字符串長度的時間復(fù)雜度為O(1)，而不是C字符串的O(N)，因此提高了獲取字符串長度的性能。從上面可以看到，len和free的獲取需要通過指針計算來獲取sdshdr的實際地址來獲得的。

//指定長度初始化sds，init表示初始化填寫的內(nèi)容，init為空表示初始化字符串長度為0
sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen) {
    struct sdshdr *sh;

    //sdshdr的長度: strlen(sdshdr) + initlen + 1(1表示末尾0所占的資費)
    if (init) {
        sh = zmalloc(sizeof(struct sdshdr)+initlen+1);      
    } else {
        sh = zcalloc(sizeof(struct sdshdr)+initlen+1);      //初始化為0
    }
    if (sh == NULL) return NULL;
    sh->len = initlen;
    sh->free = 0;
    if (initlen && init)
        memcpy(sh->buf, init, initlen);                     //復(fù)制init指向地址的字符串
    sh->buf[initlen] = '\0';
    return (char*)sh->buf;                                  //sds的指針為實際字符串的指針
}

從sdsnewlen的返回可以看到，實際返回給上層的是buf數(shù)組的地址，對上層屏蔽了sdshdr，sdshdr的地址可以通過sdshder.buf的地址來算出。

//增加sds的額外可存儲空間至addlen字節(jié)，free = addlen
sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
    struct sdshdr *sh, *newsh;
    size_t free = sdsavail(s);
    size_t len, newlen;

    if (free >= addlen) return s;    //當free空間足夠時，直接返回，無需重分配
    len = sdslen(s);
    sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
    newlen = (len+addlen);
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)      //預(yù)分配策略，若新字符長度小于1M，則為字符串分配2倍所需空間的大小
        newlen *= 2;
    else
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;     //否則，只額外添加1M未使用空間
    newsh = zrealloc(sh, sizeof(struct sdshdr)+newlen+1);
    if (newsh == NULL) return NULL;

    newsh->free = newlen - len;
    return newsh->buf;
}

//字符串左右修剪函數(shù)
sds sdstrim(sds s, const char *cset) {
    struct sdshdr *sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
    char *start, *end, *sp, *ep;
    size_t len;

    sp = start = s;
    ep = end = s+sdslen(s)-1;
    while(sp <= end && strchr(cset, *sp)) sp++;     //修建左邊
    while(ep > start && strchr(cset, *ep)) ep--;    //修建右邊
    len = (sp > ep) ? 0 : ((ep-sp)+1);
    if (sh->buf != sp) memmove(sh->buf, sp, len); //移動內(nèi)存存儲內(nèi)容
    //更新末尾、len、free
    sh->buf[len] = '\0';
    sh->free = sh->free+(sh->len-len);
    sh->len = len;
    return s;
}

//獲取子字符串，start/end 允許傳負數(shù)
void sdsrange(sds s, int start, int end) {
    struct sdshdr *sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
    size_t newlen, len = sdslen(s);

    if (len == 0) return;
    if (start < 0) {
        start = len+start;
        if (start < 0) start = 0;
    }
    if (end < 0) {
        end = len+end;
        if (end < 0) end = 0;
    }
    newlen = (start > end) ? 0 : (end-start)+1;
    if (newlen != 0) {
        if (start >= (signed)len) {
            newlen = 0;
        } else if (end >= (signed)len) {
            end = len-1;
            newlen = (start > end) ? 0 : (end-start)+1;
        }
    } else {
        start = 0;
    }
    if (start && newlen) memmove(sh->buf, sh->buf+start, newlen);
    sh->buf[newlen] = 0;
    sh->free = sh->free+(sh->len-newlen);
    sh->len = newlen;
}

由于SDS字符串存在未使用空間，因此修改字符串長度不像C字符串，無需頻繁的通過內(nèi)存重分配來擴展或縮小字符串所占大小。這對于需要頻繁修改數(shù)據(jù)的Redis是一個極大的性能提升。sdsMakeRoomFor函數(shù)用來對SDS字符串進行擴展，sdstrim和sdsrange用來對字符串進行縮減。

通過控制未使用空間，SDS實現(xiàn)了空間預(yù)分配和惰性釋放兩種空間優(yōu)化策略。

1. 空間預(yù)分配
   若對字符串進行擴展后的大小(newlen)小于1M (1024*1024字節(jié))，那么給SDS字符串額外分配所需大小一倍(擴展后大小為2*newlen)的空間。若對字符串進行擴展后的大小大于1M，則給SDS字符串額外分配1M空間。通過這種方式，減少了執(zhí)行字符串增長操作所需的內(nèi)存分配次數(shù)。

2. 惰性釋放
   當SDS字符串進行縮減時，并不釋放多出來的空間，而是通過修改free屬性和len屬性來表示字符串的縮減，寵兒頻繁的內(nèi)存操作。

//連接指定長度字符串到sds末尾
sds sdscatlen(sds s, const void *t, size_t len) {
    struct sdshdr *sh;
    size_t curlen = sdslen(s);

    s = sdsMakeRoomFor(s,len);          //擴展空間
    if (s == NULL) return NULL;
    sh = (void*) (s-(sizeof(struct sdshdr)));
    memcpy(s+curlen, t, len);
    sh->len = curlen+len;
    sh->free = sh->free-len;
    s[curlen+len] = '\0';           //末尾添加0
    return s;
}

SDS不使用C字符串函數(shù)的strcat函數(shù)，而是自己封裝了一個，當free空間不足時，會擴展SDS字符串的未使用空間，然后在進行拼接，從而避免了緩沖區(qū)溢出。

總結(jié)

SDS字符串相比C字符串的優(yōu)勢：

1. O(1)獲取字符串長度；
2. 通過空間預(yù)分配和惰性空間釋放減少內(nèi)存的操作次數(shù)；
3. 杜絕緩沖區(qū)溢出
4. 因為是通過len來控制字符串的長度，不依賴于\0，因此字符串是二進制安全的，不僅可以保存文本數(shù)據(jù)，還可以用來保存任意格式的二進制數(shù)據(jù)。
5. 因為SDS字符串末尾帶有\0，因此作為存儲普通字符串，可以使用部分C語言字符串函數(shù)。

SDS主要API

Reference