Redis基础数据结构——整数集合(Intset)

2021年10月18日 154点热度 1人点赞 0条评论

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。

整数集合的实现

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_tint32_t 或者 int64_t 的整数值, 并且保证集合中不会出现重复元素。

每个 intset.h/intset 结构表示一个整数集合:

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;

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 -32,768 ,最大值为 32,767 )。
  • 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 -2,147,483,648 ,最大值为 2,147,483,647 )。
  • 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 -9,223,372,036,854,775,808 ,最大值为 9,223,372,036,854,775,807 )。

下图展示了一个整数集合示例:

  • 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。

下图展示了另一个整数集合示例:

  • 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 135 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

整数集合的升级

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。

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$O(n)$。

升级之后新元素的摆放位置

因为引发升级的新元素的长度总是比整数集合现有所有元素的长度都大, 所以这个新元素的值要么就大于所有现有元素, 要么就小于所有现有元素:

  • 在新元素小于所有现有元素的情况下, 新元素会被放置在底层数组的最开头(索引 0 );
  • 在新元素大于所有现有元素的情况下, 新元素会被放置在底层数组的最末尾(索引 length-1 )。

升级的好处

整数集合的升级策略有两个好处:

  • 提升了整数集合的灵活性
  • 尽可能地节约了内存。

整数集合的降级

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。

agedcat_xuanzai

这个人很懒,什么都没留下

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