Redis中的字典由dict.h/dict结构表示

typedef struct dict {
    // 类型特定函数
    dictType *type;
    // 私有数据
    void *privdata;
    // 哈希表
    dictht ht[2];
    // rehash索引
    //当rehash不在进行时，值为-1
    in trehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
} dict;

  • dictType 和 privdata

    type属性和privdata属性是针对不同类型的键值对，为创建多态字典而设置的：

    ​ type属性是一个指向dictType结构的指针，每个dictType结构保存了一簇用于操作特定类型键值对的函数，Redis会为用途不同的字典设置不同的类型特定函数。

    ​ 而privdata属性则保存了需要传给那些类型特定函数的可选参数

  • Dictht:

    ht属性是一个包含两个项的数组，数组中的每个项都是一个dictht哈希表，一般情况下，字典只使用ht[0]哈希表，ht[1]哈希表只会在对ht[0]哈希表进行rehash时使用。

  • rehashidx：

    除了ht[1]之外，另一个和rehash有关的属性就是rehashidx，它记录了rehash目前的进度，如果目前没有在进行rehash，那么它的值为-1。

Redis字典所使用的哈希表由dict.h/dictht结构定义

typedef struct dictht {
    // 哈希表数组
    dictEntry **table;
    // 哈希表大小
    unsigned long size;
    //哈希表大小掩码，用于计算索引值
    //总是等于size-1
    unsigned long sizemask;
    // 该哈希表已有节点的数量
    unsigned long used;
} dictht;

table属性是一个数组，数组中的每个元素都是一个指向dict.h/dictEntry结构的指针，每个dictEntry结构保存着一个键值对。size属性记录了哈希表的大小，也即是table数组的大小，而used属性则记录了哈希表目前已有节点（键值对）的数量。sizemask属性的值总是等于size-1，这个属性和哈希值一起决定一个键应该被放到table数组的哪个索引上面

哈希表节点使用dictEntry结构表示，每个dictEntry结构都保存着一个键值对

key属性保存着键值对中的键，而v属性则保存着键值对中的值，其中键值对的值可以是一个指针，或者是一个uint64_t整数，又或者是一个int64_t整数。

next属性是指向另一个哈希表节点的指针，这个指针可以将多个哈希值相同的键值对连接在一次，以此来解决键冲突（collision）的问题

没有rehash的场景如下：

  1. ht[1]为null，rehashidx=-1

哈希计算

  • 使用字典设置的哈希函数，计算键key 的哈希值hash = dict->type->hashFunction(key);
  • 使用哈希表的sizemask 属性和哈希值，计算出索引值
  • 根据情况不同，ht[x] 可以是ht[0] 或者ht[1] index = hash & dict->ht[x].sizemask;

哈希冲突解决方案

Redis的哈希表使用拉链法来解决哈希冲突，每个哈希表节点（dictEntry）都有一个next指针，指向下一个冲突的节点，因为dictEntry节点组成的链表没有指向链表尾的指针，所有总是将新节点添加到链表头部位置，已增加插入速度

rehash

当以下条件中的任意一个被满足时，程序会自动开始对哈希表执行扩展操作，负载因子计算公式：

  • 负载因子= 哈希表已保存节点数量/ 哈希表大小
    load_factor = ht[0].used / ht[0].size
  1. 服务器目前没有在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于1。
  2. 服务器目前正在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令，并且哈希表的负载因子大于等于5。
  • 根据BGSAVE命令或BGREWRITEAOF命令是否正在执行，服务器执行扩展操作所需的负载因子并不相同，这是因为在执行BGSAVE命令或BGREWRITEAOF命令的过程中，Redis需要创建当前服务器进程的子进程，而大多数操作系统都采用写时复制（copy-on-write）技术来优化子进程的使用效率，所以在子进程存在期间，服务器会提高执行扩展操作所需的负载因子，从而尽可能地避免在子进程存在期间进行哈希表扩展操作，这可以避免不必要的内存写入操作，最大限度地节约内存。
  • 当哈希表的负载因子小于0.1时，程序自动开始对哈希表执行收缩操作

随着操作的不断执行，哈希表保存的键值对会逐渐地增多或者减少，为了让哈希表的负载因子（load factor）维持在一个合理的范围之内，当哈希表保存的键值对数量太多或者太少时，程序需要对哈希表的大小进行相应的扩展或者收缩，步骤如下：

  1. 为字典的ht[1]哈希表分配空间，这个哈希表的空间大小取决于要执行的操作，以及ht[0]当前包含的键值对数量（也即是ht[0].used属性的值）：
    • 如果执行的是扩展操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used*2的n次方幂
    • 如果执行的是收缩操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的n次方幂
  2. 将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]上面：rehash指的是重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放置到ht[1]哈希表的指定位置上
  3. 当ht[0]包含的所有键值对都迁移到了ht[1]之后（ht[0]变为空表），释放ht[0]，将ht[1]设置为ht[0]，并在ht[1]新创建一个空白哈希表，为下一次rehash做准备

渐进式rehash

扩展或收缩哈希表需要将ht[0]里面的所有键值对rehash到ht[1]里面，但是，这个rehash动作并==不是一次性、集中式地完成的==，而是==分多次、渐进式地完成==的，一下是rehash的详细步骤：

  1. 为ht[1]分配空间，让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表
  2. 在字典中(dict结构体中)维持一个索引计数器变量rehashidx，并将它的值设置为0，表示rehash工作正式开始
  3. 在rehash进行期间，每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时，程序除了执行指定的操作以外，还会顺带将ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有键值对rehash到ht[1]，当rehash工作完成之后，程序将rehashidx属性的值增一。
  4. 随着字典操作的不断执行，最终在某个时间点上，ht[0]的所有键值对都会被rehash至ht[1]，这时程序将rehashidx属性的值设为-1，表示rehash操作已完成
  • 因为在进行渐进式rehash的过程中，字典会同时使用ht[0]和ht[1]两个哈希表，所以在渐进式rehash进行期间，字典的删除（delete）、查找（find）、更新（update）等操作会在两个哈希表上进行。例如，要在字典里面查找一个键的话，程序会先在ht[0]里面进行查找，如果没找到的话，就会继续到ht[1]里面进行查找，诸如此类
  • 在渐进式rehash执行期间，新添加到字典的键值对一律会被保存到ht[1]里面，而ht[0]则不再进行任何添加操作，这一措施保证了ht[0]包含的键值对数量会只减不增，并随着rehash操作的执行而最终变成空表