整数集合是 Redis 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。
1 整数集合的实现整数集合是 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、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 { uint32_t encoding; uint32_t length; int8_t contents[]; } intset;encding:编码方式
length:集合包含的元素数量
contents[]:保存元素的数组
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,各个项在数组中按值的大小从小到大有序排列,并且数组中不包含重复项。
length 属性记录了整数集合记录的元素数量,也就是 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,比如: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,取值范围为:[-32768-32767](2^(16-1))。
与之类似,encoding 的值为 INTSET_ENC_INT32,那么数组每项的取值范围为:[-2147483648, 2147483647](2^(32-1)。
这里也引发了一个问题,当我们对一个 encoding 为 INTSET_ENC_INT8 的 intset,插入 129 时(int8_t 的取值范围是 [-128, 127]),会出现什么?
这也就引发了 intset 的升级操作。与之对应,也有降级操作。接下来,我们来详细认识下 intset 的升降级操作。
2 升级操作每当我们要将一个新元素添加到整数集合时,如果新元素的类型比整数集合的 encoding 类型大,整数集合就需要先进行升级操作(upgrade),然后才能将新元素添加到整数集合中。
整个升级操作源码如下:
// intset.c/intsetUpgradeAndAdd() /* Upgrades the intset to a larger encoding and inserts the given integer. */ static intset *intsetUpgradeAndAdd(intset *is, int64_t value) { uint8_t curenc = intrev32ifbe(is->encoding); uint8_t newenc = _intsetValueEncoding(value); int length = intrev32ifbe(is->length); int prepend = value < 0 ? 1 : 0; /* First set new encoding and resize */ is->encoding = intrev32ifbe(newenc); is = intsetResize(is,intrev32ifbe(is->length)+1); /* Upgrade back-to-front so we don't overwrite values. * Note that the "prepend" variable is used to make sure we have an empty * space at either the beginning or the end of the intset. */ while(length--) _intsetSet(is,length+prepend,_intsetGetEncoded(is,length,curenc)); /* Set the value at the beginning or the end. */ if (prepend) _intsetSet(is,0,value); else _intsetSet(is,intrev32ifbe(is->length),value); is->length = intrev32ifbe(intrev32ifbe(is->length)+1); return is; }升级整数集合并添加新元素,共分为三步进行:
扩展底层数组大小。根据新元素的类型,扩展整数集合底层数组的大小,并为新元素分配空间。
元素转换,并保持原有顺序。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,并将转换后的元素放在正确的位置上,保证原有顺序不发生改变。
将新元素添加到底层数组中。
此外,一旦因插入新元素引发升级操作,就说明新插入的元素比集合中现有的所有元素的长度大,所以这个新元素的值要么大于所有现有元素(正值),要么就小于所有现有元素(负值),那么:
在新元素小于所有现有元素时,新元素就会被放在底层数组的最开头的位置,即索引为 0 的位置;
在新元素大于所有现有元素时,新元素就会被放在底层数组的最末尾的位置;
3 升级优势整数集合的升级策略主要有以下两个好处:
提示整数集合的灵活性;
尽可能的节约内存;
3.1 提示灵活性因为 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中。
但是,因为有了升级操作,整数集合可以通过它来自适应新元素,所以我们可以随意地将 int16_t、int32_t、和 int64_t 类型的整数添加到集合中,而不必担心出现类型错误,大大的提升了整数集合的灵活性。
3.2 节约内存当然,要让一个数组可以同时保存 int16_t、int32_t、和 int64_t 类型的整数值,我们可以粗暴的直接使用 int64_t 类型的数组作为整数集合的底层实现,来保存不同类型的值。但是,这样一来,即使添加到集合中的都是 int16_t、int32_t 类型的值,数组也都是需要使用 int64_t 类型的空间去保存,出现浪费内存的情况。