Redis链表底层怎么实现

引言

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、基于内存的键值存储系统，广泛用于缓存、消息队列、实时分析等场景。Redis支持多种数据结构，如字符串、哈希、列表、集合、有序集合等。其中，列表（List）是Redis中非常常用的数据结构之一，常用于实现消息队列、任务队列等。

Redis的列表数据结构底层实现采用了链表（Linked List）。链表是一种动态数据结构，能够高效地进行插入、删除操作。本文将深入探讨Redis链表的底层实现，包括链表的结构、操作、性能分析以及与其他数据结构的对比。

1. 链表的基本概念

1.1 什么是链表

链表是一种线性数据结构，由一系列节点（Node）组成，每个节点包含数据域和指针域。数据域用于存储数据，指针域用于指向下一个节点。链表可以分为单向链表、双向链表和循环链表等。

• 单向链表：每个节点只有一个指针，指向下一个节点。
• 双向链表：每个节点有两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。
• 循环链表：链表的最后一个节点指向第一个节点，形成一个环。

1.2 链表的优缺点

优点： - 动态内存分配：链表不需要预先分配内存，可以根据需要动态增加或减少节点。 - 高效的插入和删除操作：在链表中插入或删除节点的时间复杂度为O(1)，只需修改指针即可。

缺点： - 随机访问效率低：链表不支持随机访问，访问某个节点需要从头节点开始遍历，时间复杂度为O(n)。 - 额外的内存开销：每个节点需要额外的指针域来存储指针信息，增加了内存开销。

2. Redis链表的结构

2.1 Redis链表的数据结构

Redis的链表实现是一个双向链表，每个节点包含指向前一个节点和后一个节点的指针。Redis链表的定义如下：

typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;  // 指向前一个节点
    struct listNode *next;  // 指向后一个节点
    void *value;            // 节点的值
} listNode;

typedef struct list {
    listNode *head;         // 链表头节点
    listNode *tail;         // 链表尾节点
    unsigned long len;      // 链表长度
    void *(*dup)(void *ptr); // 节点值复制函数
    void (*free)(void *ptr); // 节点值释放函数
    int (*match)(void *ptr, void *key); // 节点值比较函数
} list;

• listNode：链表节点结构，包含指向前一个节点和后一个节点的指针，以及节点的值。
• list：链表结构，包含头节点、尾节点、链表长度以及一些操作函数。

2.2 Redis链表的操作函数

Redis链表提供了一系列操作函数，用于对链表进行增删改查等操作。常见的操作函数包括：

• listCreate：创建一个新的链表。
• listAddNodeHead：在链表头部插入一个新节点。
• listAddNodeTail：在链表尾部插入一个新节点。
• listInsertNode：在指定节点前或后插入一个新节点。
• listDelNode：删除指定节点。
• listGetIterator：获取链表的迭代器。
• listNext：获取迭代器的下一个节点。
• listDup：复制链表。
• listRelease：释放链表。

3. Redis链表的实现细节

3.1 链表的创建

链表的创建通过listCreate函数实现。该函数会分配内存并初始化链表结构。

list *listCreate(void) {
    struct list *list;

    if ((list = zmalloc(sizeof(*list))) == NULL)
        return NULL;
    list->head = list->tail = NULL;
    list->len = 0;
    list->dup = NULL;
    list->free = NULL;
    list->match = NULL;
    return list;
}

• zmalloc：Redis自定义的内存分配函数，用于分配内存。
• list->head和list->tail：初始化为NULL，表示链表为空。
• list->len：初始化为0，表示链表长度为0。
• list->dup、list->free、list->match：初始化为NULL，表示没有设置相应的操作函数。

3.2 链表的插入操作

链表的插入操作包括在链表头部插入节点、在链表尾部插入节点以及在指定节点前或后插入节点。

3.2.1 在链表头部插入节点

在链表头部插入节点通过listAddNodeHead函数实现。

list *listAddNodeHead(list *list, void *value) {
    listNode *node;

    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;
    node->value = value;
    if (list->len == 0) {
        list->head = list->tail = node;
        node->prev = node->next = NULL;
    } else {
        node->prev = NULL;
        node->next = list->head;
        list->head->prev = node;
        list->head = node;
    }
    list->len++;
    return list;
}

• zmalloc：分配内存创建新节点。
• node->value：设置节点的值。
• list->len == 0：如果链表为空，新节点既是头节点也是尾节点。
• list->len > 0：如果链表不为空，新节点的next指针指向原头节点，原头节点的prev指针指向新节点，新节点成为新的头节点。
• list->len++：链表长度加1。

3.2.2 在链表尾部插入节点

在链表尾部插入节点通过listAddNodeTail函数实现。

list *listAddNodeTail(list *list, void *value) {
    listNode *node;

    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;
    node->value = value;
    if (list->len == 0) {
        list->head = list->tail = node;
        node->prev = node->next = NULL;
    } else {
        node->prev = list->tail;
        node->next = NULL;
        list->tail->next = node;
        list->tail = node;
    }
    list->len++;
    return list;
}

• zmalloc：分配内存创建新节点。
• node->value：设置节点的值。
• list->len == 0：如果链表为空，新节点既是头节点也是尾节点。
• list->len > 0：如果链表不为空，新节点的prev指针指向原尾节点，原尾节点的next指针指向新节点，新节点成为新的尾节点。
• list->len++：链表长度加1。

3.2.3 在指定节点前或后插入节点

在指定节点前或后插入节点通过listInsertNode函数实现。

list *listInsertNode(list *list, listNode *old_node, void *value, int after) {
    listNode *node;

    if ((node = zmalloc(sizeof(*node))) == NULL)
        return NULL;
    node->value = value;
    if (after) {
        node->prev = old_node;
        node->next = old_node->next;
        if (list->tail == old_node) {
            list->tail = node;
        }
    } else {
        node->next = old_node;
        node->prev = old_node->prev;
        if (list->head == old_node) {
            list->head = node;
        }
    }
    if (node->prev != NULL) {
        node->prev->next = node;
    }
    if (node->next != NULL) {
        node->next->prev = node;
    }
    list->len++;
    return list;
}

• zmalloc：分配内存创建新节点。
• node->value：设置节点的值。
• after：如果为1，表示在指定节点后插入新节点；如果为0，表示在指定节点前插入新节点。
• list->tail == old_node：如果指定节点是尾节点，新节点成为新的尾节点。
• list->head == old_node：如果指定节点是头节点，新节点成为新的头节点。
• node->prev->next = node和node->next->prev = node：调整前后节点的指针，使新节点插入到链表中。
• list->len++：链表长度加1。

3.3 链表的删除操作

链表的删除操作通过listDelNode函数实现。

void listDelNode(list *list, listNode *node) {
    if (node->prev)
        node->prev->next = node->next;
    else
        list->head = node->next;
    if (node->next)
        node->next->prev = node->prev;
    else
        list->tail = node->prev;
    if (list->free) list->free(node->value);
    zfree(node);
    list->len--;
}

• node->prev->next = node->next：如果删除的节点有前一个节点，前一个节点的next指针指向删除节点的下一个节点。
• list->head = node->next：如果删除的节点是头节点，头节点指向删除节点的下一个节点。
• node->next->prev = node->prev：如果删除的节点有下一个节点，下一个节点的prev指针指向删除节点的前一个节点。
• list->tail = node->prev：如果删除的节点是尾节点，尾节点指向删除节点的前一个节点。
• list->free(node->value)：如果设置了free函数，释放节点的值。
• zfree(node)：释放节点的内存。
• list->len–：链表长度减1。

3.4 链表的迭代操作

链表的迭代操作通过listGetIterator和listNext函数实现。

3.4.1 获取链表的迭代器

获取链表的迭代器通过listGetIterator函数实现。

listIter *listGetIterator(list *list, int direction) {
    listIter *iter;

    if ((iter = zmalloc(sizeof(*iter))) == NULL) return NULL;
    if (direction == AL_START_HEAD)
        iter->next = list->head;
    else
        iter->next = list->tail;
    iter->direction = direction;
    return iter;
}

• zmalloc：分配内存创建迭代器。
• iter->next：根据迭代方向设置迭代器的下一个节点。
• iter->direction：设置迭代方向，AL_START_HEAD表示从头节点开始迭代，AL_START_TL表示从尾节点开始迭代。

3.4.2 获取迭代器的下一个节点

获取迭代器的下一个节点通过listNext函数实现。

listNode *listNext(listIter *iter) {
    listNode *current = iter->next;

    if (current != NULL) {
        if (iter->direction == AL_START_HEAD)
            iter->next = current->next;
        else
            iter->next = current->prev;
    }
    return current;
}

• current = iter->next：获取当前节点。
• iter->next = current->next：如果迭代方向是从头节点开始，下一个节点是当前节点的下一个节点。
• iter->next = current->prev：如果迭代方向是从尾节点开始，下一个节点是当前节点的前一个节点。
• return current：返回当前节点。

3.5 链表的复制操作

链表的复制操作通过listDup函数实现。

list *listDup(list *orig) {
    list *copy;
    listIter iter;
    listNode *node;

    if ((copy = listCreate()) == NULL)
        return NULL;
    copy->dup = orig->dup;
    copy->free = orig->free;
    copy->match = orig->match;
    listRewind(orig, &iter);
    while((node = listNext(&iter)) {
        void *value;

        if (copy->dup) {
            value = copy->dup(node->value);
            if (value == NULL) {
                listRelease(copy);
                return NULL;
            }
        } else
            value = node->value;
        if (listAddNodeTail(copy, value) == NULL) {
            if (copy->free) copy->free(value);
            listRelease(copy);
            return NULL;
        }
    }
    return copy;
}

• listCreate：创建一个新的链表。
• copy->dup、copy->free、copy->match：复制原链表的操作函数。
• listRewind：将迭代器重置为从头节点开始。
• listNext：遍历原链表的每个节点。
• copy->dup：如果设置了dup函数，复制节点的值。
• listAddNodeTail：将复制的节点值插入到新链表的尾部。
• listRelease：如果复制失败，释放新链表。

3.6 链表的释放操作

链表的释放操作通过listRelease函数实现。

void listRelease(list *list) {
    unsigned long len;
    listNode *current, *next;

    current = list->head;
    len = list->len;
    while(len--) {
        next = current->next;
        if (list->free) list->free(current->value);
        zfree(current);
        current = next;
    }
    zfree(list);
}

• current = list->head：从头节点开始遍历链表。
• len = list->len：获取链表长度。
• while(len–)：遍历每个节点。
• list->free(current->value)：如果设置了free函数，释放节点的值。
• zfree(current)：释放节点的内存。
• zfree(list)：释放链表结构的内存。

4. Redis链表的性能分析

4.1 时间复杂度

• 插入操作：在链表头部或尾部插入节点的时间复杂度为O(1)。
• 删除操作：删除指定节点的时间复杂度为O(1)。
• 查找操作：查找某个节点的时间复杂度为O(n)，因为需要从头节点开始遍历链表。
• 随机访问：链表不支持随机访问，访问某个节点的时间复杂度为O(n)。

4.2 空间复杂度

• 链表节点：每个节点需要额外的指针域来存储前后节点的指针，增加了内存开销。
• 链表结构：链表结构本身需要存储头节点、尾节点、链表长度等信息，增加了内存开销。

4.3 适用场景

• 频繁的插入和删除操作：链表适合频繁进行插入和删除操作的场景，如消息队列、任务队列等。
• 不需要随机访问：链表不适合需要频繁随机访问的场景，如数组、哈希表等。

5. Redis链表与其他数据结构的对比

5.1 链表与数组

• 内存分配：链表是动态分配内存，数组是静态分配内存。
• 插入和删除操作：链表插入和删除操作的时间复杂度为O(1)，数组插入和删除操作的时间复杂度为O(n)。
• 随机访问：链表不支持随机访问，数组支持随机访问，时间复杂度为O(1)。
• 内存开销：链表需要额外的指针域，内存开销较大；数组不需要额外的指针域，内存开销较小。

5.2 链表与哈希表

• 查找操作：链表查找操作的时间复杂度为O(n)，哈希表查找操作的时间复杂度为O(1)。
• 插入和删除操作：链表插入和删除操作的时间复杂度为O(1)，哈希表插入和删除操作的时间复杂度为O(1)。
• 内存开销：链表需要额外的指针域，内存开销较大；哈希表需要额外的哈希表结构，内存开销较大。

5.3 链表与跳表

• 查找操作：链表查找操作的时间复杂度为O(n)，跳表查找操作的时间复杂度为O(log n)。
• 插入和删除操作：链表插入和删除操作的时间复杂度为O(1)，跳表插入和删除操作的时间复杂度为O(log n)。
• 内存开销：链表需要额外的指针域，内存开销较大；跳表需要额外的索引层，内存开销较大。

6. Redis链表的应用场景

6.1 消息队列

Redis链表常用于实现消息队列。生产者将消息插入到链表尾部，消费者从链表头部取出消息进行处理。由于链表的插入和删除操作时间复杂度为O(1)，非常适合用于消息队列场景。

6.2 任务队列

Redis链表也可以用于实现任务队列。任务生产者将任务插入到链表尾部，任务消费者从链表头部取出任务进行处理。链表的动态内存分配和高效的插入删除操作使其非常适合用于任务队列场景。

6.3 历史记录

Redis链表可以用于存储用户的历史记录，如浏览历史、搜索历史等。每次用户操作时，将记录插入到链表尾部，当链表长度超过一定限制时，删除链表头部的记录。链表的动态内存分配和高效的插入删除操作使其非常适合用于历史记录场景。

7. Redis链表的优化

7.1 压缩链表

Redis在3.2版本中引入了压缩链表（Ziplist），用于优化小列表的内存使用。压缩链表是一种紧凑的、连续内存块的数据结构，能够减少链表节点的内存开销。当链表长度较短且节点值较小时，Redis会自动将链表转换为压缩链表。

7.2 快速列表

Redis在3.2版本中还引入了快速列表（Quicklist），用于优化大列表的内存使用。快速列表是一种结合了压缩链表和双向链表的数据结构，能够在不影响性能的情况下减少内存使用。快速列表将多个压缩链表节点组织成一个双向链表，既保留了链表的动态内存分配和高效插入删除操作，又减少了内存开销。

8. 总结

Redis链表是一种高效的双向链表数据结构，适合频繁进行插入和删除操作的场景。Redis链表的底层实现采用了双向链表，每个节点包含指向前一个节点和后一个节点的指针。Redis链表提供了一系列操作函数，用于对链表进行增删改查等操作。Redis链表的插入和删除操作时间复杂度为O(1)，查找操作时间复杂度为O(n)。Redis链表常用于实现消息队列、任务队列、历史记录等场景。为了优化内存使用，Redis还引入了压缩链表和快速列表。通过本文的详细分析，读者可以深入理解Redis