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Redis跳跃表的内存占用分析

2023-03-116.9k 阅读

Redis跳跃表概述

Redis 中的跳跃表（Skip List）是一种有序的数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而实现快速的查找、插入和删除操作。跳跃表在 Redis 中主要用于实现有序集合（Sorted Set）数据结构。

与平衡树相比，跳跃表的实现相对简单，并且在平均情况下具有 O(log n) 的时间复杂度，在最坏情况下为 O(n)，不过这种最坏情况出现的概率极低。

跳跃表的结构

一个跳跃表由以下几个部分组成：

  1. 头节点（Header Node）：它是跳跃表的入口点，不包含实际的数据，只是用来简化跳跃表的操作。头节点的层数通常会比其他节点高，并且其每层的指针都指向跳跃表中的其他节点。
  2. 层（Level）：跳跃表中的每个节点都有多个层，每层都有一个向前的指针。层数是随机生成的，范围从 1 到最大层数。层数的存在使得跳跃表能够像二叉搜索树一样快速地定位数据。
  3. 数据节点（Data Node）：包含实际的数据和指向其他节点的指针。每个数据节点都有一个分值（Score），跳跃表根据分值来对节点进行排序。
  4. 尾节点（Tail Node）：所有层的指针都为 NULL 的节点，表示跳跃表的结束。

跳跃表的节点结构

在 Redis 中，跳跃表节点的定义如下：

typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;        // 成员对象
    double score;   // 分值
    struct zskiplistNode *backward; // 后退指针
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward; // 前进指针
        unsigned long span; // 跨度
    } level[];
} zskiplistNode;
  • ele：是一个 SDS（简单动态字符串），用于存储节点中的成员对象。
  • score：表示节点的分值，跳跃表根据分值对节点进行排序。
  • backward：后退指针，用于从后向前遍历跳跃表。
  • level：是一个柔性数组，它的大小会根据节点的层数动态分配。level 数组中的每个元素都包含一个 forward 指针和一个 span。forward 指针指向下一个节点，span 表示从当前节点到下一个节点之间的跨度。

跳跃表的层结构

跳跃表的层结构定义如下：

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;
  • header 和 tail：分别指向跳跃表的头节点和尾节点。
  • length：表示跳跃表中节点的数量（不包括头节点）。
  • level：表示跳跃表当前的最大层数。

内存占用分析

  1. 节点内存占用
    • 固定部分：每个 zskiplistNode 结构体除了柔性数组 level 外，固定占用的内存大小为 sizeof(sds) + sizeof(double) + sizeof(zskiplistNode*)。其中，sizeof(sds) 是 SDS 结构体的大小，sizeof(double) 用于存储分值，sizeof(zskiplistNode*) 是后退指针的大小。在 64 位系统中，sizeof(double) 为 8 字节，sizeof(zskiplistNode*) 为 8 字节。假设 SDS 结构体大小为 16 字节（实际大小会根据字符串长度有所变化），那么固定部分的大小约为 16 + 8 + 8 = 32 字节。
    • 可变部分：柔性数组 level 的大小取决于节点的层数。每层 level 占用 sizeof(zskiplistLevel) 大小，即 sizeof(zskiplistNode*) + sizeof(unsigned long)。在 64 位系统中，sizeof(zskiplistNode*) 为 8 字节，sizeof(unsigned long) 为 8 字节，所以每层 level 占用 16 字节。
  2. 跳跃表整体内存占用
    • 头节点：头节点的层数通常会设置为一个较大的值（例如 32 层），所以头节点占用的内存为固定部分 32 字节加上 32 层 level 的大小，即 32 + 32 * 16 = 544 字节。
    • 数据节点：假设跳跃表中有 n 个数据节点，每个数据节点的平均层数为 k（k 是一个与跳跃表节点数量相关的统计值，通常接近 log n）。那么 n 个数据节点占用的内存为 n * (32 + k * 16) 字节。
    • 跳跃表结构体：zskiplist 结构体本身占用 sizeof(zskiplistNode*) * 2 + sizeof(unsigned long) + sizeof(int)，在 64 位系统中，约为 8 * 2 + 8 + 4 = 28 字节。

因此，整个跳跃表占用的内存约为 544 + n * (32 + k * 16) + 28 字节。

代码示例

下面是一个简单的 C 语言代码示例，用于创建一个跳跃表并插入节点，同时分析内存占用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>

#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32
#define ZSKIPLIST_P 0.25

typedef struct zskiplistNode {
    char *ele;
    double score;
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned long span;
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;

zskiplistNode* zslCreateNode(int level, double score, char *ele) {
    zskiplistNode *zn = (zskiplistNode*)malloc(sizeof(*zn)+level*sizeof(struct zskiplistLevel));
    zn->score = score;
    zn->ele = strdup(ele);
    return zn;
}

zskiplist* zslCreate(void) {
    int j;
    zskiplist *zsl;
    zsl = (zskiplist*)malloc(sizeof(*zsl));
    zsl->level = 1;
    zsl->length = 0;
    zsl->header = zslCreateNode(ZSKIPLIST_MAXLEVEL,0,"");
    for (j = 0; j < ZSKIPLIST_MAXLEVEL; j++) {
        zsl->header->level[j].forward = NULL;
        zsl->header->level[j].span = 0;
    }
    zsl->header->backward = NULL;
    zsl->tail = NULL;
    return zsl;
}

int zslRandomLevel(void) {
    int level = 1;
    while ((rand()&0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF))
        level += 1;
    return (level<ZSKIPLIST_MAXLEVEL)? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
}

zskiplistNode* zslInsert(zskiplist *zsl, double score, char *ele) {
    zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
    unsigned long rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];
    int i, level;

    x = zsl->header;
    for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
        rank[i] = i == (zsl->level-1)? 0 : rank[i+1];
        while (x->level[i].forward &&
               (x->level[i].forward->score < score ||
                (x->level[i].forward->score == score &&
                 strcmp(x->level[i].forward->ele,ele) < 0)))
        {
            rank[i] += x->level[i].span;
            x = x->level[i].forward;
        }
        update[i] = x;
    }
    x = x->level[0].forward;
    if (x && x->score == score && strcmp(x->ele,ele) == 0) {
        return x;
    } else {
        level = zslRandomLevel();
        if (level > zsl->level) {
            for (i = zsl->level; i < level; i++) {
                rank[i] = 0;
                update[i] = zsl->header;
                update[i]->level[i].span = zsl->length;
            }
            zsl->level = level;
        }
        x = zslCreateNode(level,score,ele);
        for (i = 0; i < level; i++) {
            x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;
            update[i]->level[i].forward = x;

            x->level[i].span = update[i]->level[i].span - (rank[0] - rank[i]);
            update[i]->level[i].span = (rank[0] - rank[i]) + 1;
        }
        for (i = level; i < zsl->level; i++) {
            update[i]->level[i].span++;
        }
        x->backward = (update[0] == zsl->header)? NULL : update[0];
        if (x->level[0].forward)
            x->level[0].forward->backward = x;
        else
            zsl->tail = x;
        zsl->length++;
        return x;
    }
}

void zslFreeNode(zskiplistNode *node) {
    free(node->ele);
    free(node);
}

void zslFree(zskiplist *zsl) {
    zskiplistNode *node = zsl->header->level[0].forward, *next;
    free(zsl->header);
    while (node) {
        next = node->level[0].forward;
        zslFreeNode(node);
        node = next;
    }
    free(zsl);
}

void printMemoryUsage(zskiplist *zsl) {
    int nodeSize = sizeof(zskiplistNode);
    int levelSize = sizeof(struct zskiplistLevel);
    int headerSize = nodeSize + ZSKIPLIST_MAXLEVEL * levelSize;
    int zslSize = sizeof(zskiplist);
    zskiplistNode *node = zsl->header->level[0].forward;
    int dataNodeSize = 0;
    while (node) {
        dataNodeSize += nodeSize + node->level[0].span * levelSize;
        node = node->level[0].forward;
    }
    printf("Header Memory Usage: %d bytes\n", headerSize);
    printf("Data Nodes Memory Usage: %d bytes\n", dataNodeSize);
    printf("Zskiplist Structure Memory Usage: %d bytes\n", zslSize);
    printf("Total Memory Usage: %d bytes\n", headerSize + dataNodeSize + zslSize);
}

int main() {
    srand(time(NULL));
    zskiplist *zsl = zslCreate();
    zslInsert(zsl, 1.0, "one");
    zslInsert(zsl, 2.0, "two");
    zslInsert(zsl, 3.0, "three");
    printMemoryUsage(zsl);
    zslFree(zsl);
    return 0;
}

在这个示例中，zslCreate 函数用于创建一个跳跃表，zslInsert 函数用于向跳跃表中插入节点，zslRandomLevel 函数用于随机生成节点的层数。printMemoryUsage 函数用于分析跳跃表的内存占用情况。

影响内存占用的因素

  1. 节点数量：跳跃表中的节点数量越多，占用的内存就越大。因为每个节点都需要存储数据和指针信息。
  2. 节点层数：节点的平均层数越高，占用的内存也越大。层数是随机生成的，但在实际应用中，平均层数接近 log n，其中 n 是节点数量。如果节点数量过多，可能需要调整跳跃表的最大层数，以避免内存浪费。
  3. 数据大小：节点中存储的数据（ele）越大，占用的内存就越多。例如，如果存储的是长字符串，那么 SDS 结构体占用的内存会相应增加。

优化内存占用的方法

  1. 控制节点数量：尽量减少跳跃表中不必要的节点，及时删除不再使用的节点，以释放内存。
  2. 调整最大层数：根据实际应用场景，合理调整跳跃表的最大层数。如果节点数量较少，可以适当降低最大层数，以减少头节点和数据节点中不必要的指针占用。
  3. 优化数据存储：对于存储在节点中的数据，尽量采用紧凑的格式。例如，对于数值类型的数据，可以使用合适的整数类型，而不是总是使用 double 类型。对于字符串类型的数据，可以考虑使用更紧凑的编码方式。

总结

通过对 Redis 跳跃表内存占用的分析，我们了解了跳跃表的结构、节点定义以及内存占用的计算方法。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和数据规模，合理优化跳跃表的内存使用，以提高系统的性能和资源利用率。同时，通过代码示例，我们也掌握了如何创建和操作跳跃表，并分析其内存占用情况。希望这些内容对理解和使用 Redis 跳跃表有所帮助。