前言
整数集合 (intset) 并不是一个基础的数据结构, 而是 Redis 自己设计的一种存储结构, 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 i 就会使用整数集合作为集合键的底层实现.
一, 整数集合实现
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_t,int32_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 结构表示一个整数集合
- typedef struct intset{
- // 编码方式
- uint32_t encoding;
- // 集合中包含的元素数量
- 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 属性记录了数组的长度.
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 int8t 类型的值, contents 数组的真正类型取决于 encoding 属性的值. encoding 属性的值为 INTSET_ENC_INT16 则数组就是 uint16_t 类型, 数组中的每一个元素都是 int16_t 类型的整数值(-32768--32767),encoding 属性的值为 INTSET_ENC_INT32 则数组就是 uint32_t 类型, 数组中的每一个元素都是 int16_t 类型的整数值(-2147483648--2147483647).
如上图, 为一 int16_t 类型的整数集合, 我们可以看到数组中存储了 5 个 int16_t 类型的整数, 它们按照从小到大的顺序依次排列. 这个时候我们思考一个问题. 如果这个时候存入一个 int32_t 类型的整数会怎么样? 内存溢出? 这个时候就要提到整数集合的升级.
二, 整数集合的升级
2.1 整数集合升级过程
正如上面所提到的问题, 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, 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主要分三步来进行.
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.
2.2 整数集合升级的优点
提升灵活性
因为 C 语言是静态类型语言, 为了避免类型错误, 我们通常不会将两种不同类型的值放在同一个数据结构里面.
例如, 我们一般只使用 int16_t 类型的数组来保存 int16_t 类型的值, 只使用 int32_t 类型的数组来保存 int32_t 类型的值, 诸如此类. 但是, 因为整数集合可以通过自动升级底层数组来适应新元素, 所以我们可以随意地将 int16_t,int32_t 或者 int64_t 类型的整数添加到集合中, 而不必担心出现类型错误, 这种做法非常灵活.
节约内存
要让一个数组可以同时保存 int16_t,int32_t,int64_t 三种类型的值, 最简单的做法就是直接使用 int64t 类型的数组作为整数集合的底层实现. 不过这样一来, 即使添加到整数集合里面的都是 int16_t 类型或者 int32_t 类型的值, 数组都需要使用 int64_t 类型的空间去保存它们, 从而出现浪费内存的情况.
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. 如果我们一直只向整数集合添加 int16_t 类型的值, 那么整数集合的底层实现就会一直是 int16_t 类型的数组, 只有在我们要将 int32_t 类型或者 int64_t 类型的值添加到集合时, 程序才会对数组进行升级.
2.3 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. 也就是说一旦我们向一个 int16_t 的整数集合内添加了一个 int32_t 的元素后, 整数集合将升级到 int32_t 类型. 即使后续的操作中我们删除了这个元素, 整数集合还是会保持 int32_t 类型的状态.
三, 整数集合常用操作时间复杂度
操作 | 时间复杂度 |
---|---|
创建一个新的整数集合 | O(1) |
添加指定元素到集合 | O(N) |
移除指定元素 | O(N) |
判断指定元素是否在集合中 | O(logN) |
随机返回一个元素 | O(1) |
取出在指定索引上的元素 | O(1) |
返回集合包含的元素个数 | O(1) |
返回集合占用的内存字节数 | O(1) |
本文重点
整数集合是 Redis 自己设计的一种存储结构, 集合键的底层实现之一.
整数集合的底层实现为数组, 这个数组以有序, 无重复的方式保存集合元素, 在有需要时, 程序会根据新添加元素的类型, 改变这个数组的类型.
升级操作为整数集合带来了操作上的灵活性, 并且尽可能地节约了内存.
整数集合只支持升级操作, 不支持降级操作.
参考
《Redis 设计与实现》
《Redis 开发与运维》
《Redis 官方文档》
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来源: https://www.cnblogs.com/hunternet/p/11268067.html