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图解redis之整数集合

2024-02-01 00:23:57阅读 2

引言:

整数集合(intset)是集合键的底层实现之一,当一个集合只包含整 数值元素,并且这个集合的元素数量不多时,Redis就会使用整数集合 作为集合键的底层实现。

举个例子,如果我们创建一个只包含五个元素的集合键,并且集合 中的所有元素都是整数值,那么这个集合键的底层实现就会是整数集合

redis> SADD numbers 1 3 5 7 9
(integer) 5
redis> OBJECT ENCODING numbers
"intset"

整数集合

整数集合(intset)是Redis用于保存整数值的集合抽象数据结构, 它可以保存类型为int16_t、int32_t或者int64_t的整数值,并且保证集合 中不会出现重复元素。

typedef struct intset {
//
编码方式
uint32_t encoding;
//
集合包含的元素数量
uint32_t length;
//
保存元素的数组
int8_t contents[];
} intset;

解析:

contents数组是整数集合的底层实现:整数集合的每个元素都是 contents数组的一个数组项(item),各个项在数组中按值的大小从小到 大有序地排列,并且数组中不包含任何重复项。

length属性记录了整数集合包含的元素数量,也即是contents数组的 长度。

虽然intset结构将contents属性声明为int8_t类型的数组,但实际上 contents数组并不保存任何int8_t类型的值,contents数组的真正类型取决 于encoding属性的值

·如果encoding属性的值为INTSET_ENC_INT16,那么contents就是 一个int16_t类型的数组,数组里的每个项都是一个int16_t类型的整数值 (最小值为-32768,最大值为32767)。

·如果encoding属性的值为INTSET_ENC_INT32,那么contents就是 一个int32_t类型的数组,数组里的每个项都是一个int32_t类型的整数值 (最小值为-2147483648,最大值为2147483647)。 ·

如果encoding属性的值为INTSET_ENC_INT64,那么contents就是 一个int64_t类型的数组,数组里的每个项都是一个int64_t类型的整数值 (最小值为-9223372036854775808,最大值为 9223372036854775807)

举例一

 ·encoding属性的值为INTSET_ENC_INT16,表示整数集合的底层实 现为int16_t类型的数组,而集合保存的都是int16_t类型的整数值。

·length属性的值为5,表示整数集合包含五个元素。

·contents数组按从小到大的顺序保存着集合中的五个元素。 ·因为每个集合元素都是int16_t类型的整数值,所以contents数组的 大小等于sizeof(int16_t)*5=16*5=80位

举例二:

 ·encoding属性的值为INTSET_ENC_INT64,表示整数集合的底层实 现为int64_t类型的数组,而数组中保存的都是int64_t类型的整数值。

·length属性的值为4,表示整数集合包含四个元素。

·contents数组按从小到大的顺序保存着集合中的四个元素。 ·因为每个集合元素都是int64_t类型的整数值,所以contents数组的 大小为sizeof(int64_t)*4=64*4=256位。

虽然contents数组保存的四个整数值中,只有-2675256175807981027 是真正需要用int64_t类型来保存的,而其他的1、3、5三个值都可以用 int16_t类型来保存,不过根据整数集合的升级规则,当向一个底层为 int16_t数组的整数集合添加一个int64_t类型的整数值时,整数集合已有 的所有元素都会被转换成int64_t类型,所以contents数组保存的四个整数 值都是int64_t类型的,不仅仅是-2675256175807981027

升级

每当我们要将一个新元素添加到整数集合里面,并且新元素的类型 比整数集合现有所有元素的类型都要长时,整数集合需要先进行升级 (upgrade),然后才能将新元素添加到整数集合里面

升级整数集合并添加新元素共分为三步进行:

1)根据新元素的类型,扩展整数集合底层数组的空间大小,并为 新元素分配空间。

2)将底层数组现有的所有元素都转换成与新元素相同的类型,并 将类型转换后的元素放置到正确的位上,而且在放置元素的过程中,需 要继续维持底层数组的有序性质不变。

3)将新元素添加到底层数组里面

举个例子,假设现在有一个INTSET_ENC_INT16编码的整数集合, 集合中包含三个int16_t类型的元素

 因为每个元素都占用16位空间,所以整数集合底层数组的大小为 3*16=48位

 现在,假设我们要将类型为int32_t的整数值65535添加到整数集合 里面,

因为65535的类型int32_t比整数集合当前所有元素的类型都要 长,所以在将65535添加到整数集合之前,程序需要先对整数集合进行 升级。 升级首先要做的是,根据新类型的长度,以及集合元素的数量(包 括要添加的新元素在内),对底层数组进行空间重分配。

整数集合目前有三个元素,再加上新元素65535,整数集合需要分 配四个元素的空间,因为每个int32_t整数值需要占用32位空间,所以在 空间重分配之后,底层数组的大小将是32*4=128位,。

下图所示 虽然程序对底层数组进行了空间重分配,但数组原有的三个元素1、2、3 仍然是int16_t类型,这些元素还保存在数组的前48位里面,所以程序接 下来要做的就是将这三个元素转换成int32_t类型,并将转换后的元素放 置到正确的位上面,而且在放置元素的过程中,需要维持底层数组的有 序性质不变

 首先,因为元素3在1、2、3、65535四个元素中排名第三,所以它 将被移动到contents数组的索引2位置上,也即是数组64位至95位的空间内

 接着,因为元素2在1、2、3、65535四个元素中排名第二,所以它 将被移动到contents数组的索引1位置上,也即是数组的32位至63位的空 间内

 之后,因为元素1在1、2、3、65535四个元素中排名第一,所以它 将被移动到contents数组的索引0位置上,即数组的0位至31位的空间内

 然后,因为元素65535在1、2、3、65535四个元素中排名第四,所 以它将被添加到contents数组的索引3位置上,也即是数组的96位至127 位的空间内

 最后,程序将整数集合encoding属性的值从INTSET_ENC_INT16改 为INTSET_ENC_INT32,并将length属性的值从3改为4,设置完成之后 的整数集合

 因为每次向整数集合添加新元素都可能会引起升级,而每次升级都 需要对底层数组中已有的所有元素进行类型转换,所以向整数集合添加 新元素的时间复杂度为O(N)

优点:

1.提升灵活性:

因为C语言是静态类型语言,为了避免类型错误,我们通常不会将 两种不同类型的值放在同一个数据结构里面

2.节约内存

当然,要让一个数组可以同时保存int16_t、int32_t、int64_t三种类 型的值,最简单的做法就是直接使用int64_t类型的数组作为整数集合的 底层实现。不过这样一来,即使添加到整数集合里面的都是int16_t类型 或者int32_t类型的值,数组都需要使用int64_t类型的空间去保存它们, 从而出现浪费内存的情况。

而整数集合现在的做法既可以让集合能同时保存三种不同类型的 值,又可以确保升级操作只会在有需要的时候进行,这可以尽量节省内 存

降级

整数集合不支持降级操作,一旦对数组进行了升级,编码就会一直 保持升级后的状态

举个例子,对于下图所示的整数集合来说,即使我们将集合里唯 一一个真正需要使用int64_t类型来保存的元素4294967295删除了,整数 集合的编码仍然会维持INTSET_ENC_INT64,底层数组也仍然会是 int64_t类型的

删除之后 

 

 

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