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Redis中整数小集合

一个新手
发布: 2017-09-09 14:44:32
原创
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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。

127.0.0.1:6379> sadd numbers 1 2 3 4 5
(integer) 5
127.0.0.1:6379> object encoding numbers
"intset"
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这么做的好处是当集合中只有少量的整数元素的时候,采用之前介绍的其他数据结构,比如sds,都会占用比较大的内存,但如果仅保存为整数集合的话,则会更加经济。

整数数组数据结构

整数数组的定义位于intset.h中,具体如下:

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;  // 编码方式
    uint32_t length;   // 保存的元素个数
    int8_t contents[];  // 保存元素的数组
 } 
    intset;
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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:

#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))
#define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))
#define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))

/* Return the required encoding for the provided value. */
static uint8_t _intsetValueEncoding(int64_t v) {    
    if (v < INT32_MIN || v > INT32_MAX)        
        return INTSET_ENC_INT64;    
    else if (v < INT16_MIN || v > INT16_MAX)        
        return INTSET_ENC_INT32;    
    else
      return INTSET_ENC_INT16;
}
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可以看到一共会有三种类型,分别对应int_16, int_32, int_64。

整数数组中所有的元素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。

整数集合操作

创建整数集合

// 初始化空的整数集合intset *intsetNew(void) {
    intset *is = zmalloc(sizeof(intset));    
    is->encoding = intrev32ifbe(INTSET_ENC_INT16); // 默认创建int_16的编码格式
    is->length = 0;    
    return is;
}
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插入一个元素

/* Insert an integer in the intset */intset *intsetAdd(intset *is, int64_t value, uint8_t *success) {
    uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);
    uint32_t pos;    
    if (success) *success = 1;    // 如果超出了当前编码格式所能表示的范围,则升级整数集合并添加元素
    if (valenc > intrev32ifbe(is->encoding)) {        
    /* This always succeeds, so we don&#39;t need to curry *success. */
        return intsetUpgradeAndAdd(is,value);
    } else {        // 如果元素已经存在于集合,success返回0
        // 如果不存在的话, 这个函数会返回元素应该插入的位置pos
        if (intsetSearch(is,value,&pos)) {            
        if (success) *success = 0;            
        return is;
        }        // 否则,需要重新调整集合的大小
        is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);        // 将pos之后的数据全都向后挪动一个位子
        if (pos < intrev32ifbe(is->length)) intsetMoveTail(is,pos,pos+1);
    }

    _intsetSet(is,pos,value); // 添加数据到第pos位
    is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1); // 调整元素个数
    return is;
}
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在插入元素的时候,需要根据新元素的大小来重新确定所采用的编码。如果新元素超出了原有编码的表示范围,就需要调整编码,同时调整集合中所有其他元素的编码格式。调整编码是一个不可逆的过程,就是说只能从小的编码调整到大的编码,只能升级不能降级。

升级过程

升级整数集合并添加新元素调用的是intsetUpgradeAndAdd函数,共分为三步进行:

  • 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。

  • 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。

  • 将新元素添加到底层数组里面。

/* Upgrades the intset to a larger encoding and inserts the given integer. */static intset *intsetUpgradeAndAdd(intset *is, int64_t value) {    // 当前的编码
    uint8_t curenc = intrev32ifbe(is->encoding);    // 根据新元素的值获得新的编码
    uint8_t newenc = _intsetValueEncoding(value);    
    int length = intrev32ifbe(is->length);    
    // 由于整数集合是一个有序集合,所以新的这个超出范围的元素,要不插入头部,要不插入尾部
    // 当value大于0的时候,就是插入到尾部,否则插入到头部,用参数prepend来标记
    int prepend = value < 0 ? 1 : 0;    
    
    /* First set new encoding and resize */
    // 重新设置整数集合的编码
    is->encoding = intrev32ifbe(newenc);    // 根据新编码调整整数集合的大小
    is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1);    // 从尾部向头部进行升级,这样在挪动其中的元素的时候,不会覆盖原来的值
    while(length--)        
          // 如果新元素是插入到尾部,prepend==0, 所以原来最后的元素是挪动到length位置
        // 如果新元素是插入到头部,prepend==1,所有的元素都要向后挪动一个位置,将头部空出来
        _intsetSet(is,length+prepend,_intsetGetEncoded(is,length,curenc));    
        
        /* Set the value at the beginning or the end. */
    if (prepend)        
    // 如果prepend==1, 插入到头部
        _intsetSet(is,0,value);    
       else
        // 否则,设置最后一个位置的元素为value
        _intsetSet(is,intrev32ifbe(is->length),value);    // 元素个数加1
    is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1);    
    return is;
}
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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。

查找元素

查找的时候,需要先判断要查找的元素是否在当前编码的有效范围内,如果不在当前范围内,可以直接返回。

另外因为整数集合是一个有序集合,可以采用二分查找的办法,

uint8_t intsetFind(intset *is, int64_t value) {    // 获得目标值的编码
    uint8_t valenc = _intsetValueEncoding(value);    // 只有目标值的编码比当前编码小,才继续执行查找过程
    return valenc <= intrev32ifbe(is->encoding) && intsetSearch(is,value,NULL);
}// 如果找到这个元素,返回1,同时pos表示这个值在整数集合里边的位置
// 如果没有找到这个元素,返回0, 同时pos表示这个值可以插入的位置
static uint8_t intsetSearch(intset *is, int64_t value, uint32_t *pos) {    
int min = 0, max = intrev32ifbe(is->length)-1, mid = -1;
    int64_t cur = -1;    
    
    /* The value can never be found when the set is empty */
    // 如果集合的长度为0, 直接返回0
    if (intrev32ifbe(is->length) == 0) {        
    if (pos) *pos = 0;        
    return 0;
    } else {        
    /* Check for the case where we know we cannot find the value,
         * but do know the insert position. */
        // 如果目标值大于当前最大值,肯定找不到,返回0, 同时待插入的位置pos为length
        if (value > _intsetGet(is,intrev32ifbe(is->length)-1)) {            
        if (pos) *pos = intrev32ifbe(is->length);            
        return 0;
        } else if (value < _intsetGet(is,0)) {            
        // 如果目标址小于当前最小值,返回0, 同时待插入的位置pos为0
            if (pos) *pos = 0;            
            return 0;
        }
    }    // 二分查找
    while(max >= min) {        // 得到中间位置
        mid = ((unsigned int)min + (unsigned int)max) >> 1;        // 得到中间位置的值
        cur = _intsetGet(is,mid);        
        if (value > cur) {
            min = mid+1;
        } else if (value < cur) {
            max = mid-1;
        } else {            
        break;
        }
    }    if (value == cur) {        
    if (pos) *pos = mid;        
    return 1;
    } else {        
    if (pos) *pos = min;        
    return 0;
    }
}
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