Redis中哈希结构(Dict)的实现

Redis中哈希结构（Dict）是一种以键值对（key-value pairs）方式存储数据的数据结构，可以看做是内存中的字典或映射。它采用一个哈希表（hash table）来实现键值对的快速查找，具有增删改查的高效能力。本文将详细讲解Redis中哈希结构（Dict）的实现过程。

一、哈希表（hash table）

哈希表是由哈希函数（hash function）将键（key）映射到存储桶（bucket）上，每个桶上对应着一个链表或红黑树（由linkedlist和ziplist构成），用来存储相应的值（value）。

对于哈希表中的每个键值对，Redis都将其存储在一个类似于字典节点（dictEntry）的数据结构中，其中包含了key、value和指向所在桶的指针等元素。不过，为了提升性能，Redis在存储dictEntry的时候，并没有将其保存为一个单独的内存块，而是将dictEntry的key和value等元素分别存储在一个ziplist中。所以在Redis中，哈希表实际上是由多个ziplist组成的。

下面是哈希表（hash table）的示意图，其中Bucket1、Bucket2等为各个桶，每个桶中的字母表示相应的键（key），数字表示相应的值（value）。

Bucket1: A -> 1 -> B -> 2 -> D -> 4
Bucket2: C -> 3 -> E -> 5
Bucket3: F -> 6

二、哈希结构（Dict）的实现

在Redis中，哈希结构（Dict）是由哈希表结合一些其他技术（如rehashing、渐进式rehashing、键值对的幂等性等）实现的。下面将详细介绍Redis中哈希结构的实现过程。

1. 创建哈希结构

当我们向Redis中添加一条新的哈希结构时，Redis会为其分配一个dict结构体来描述整个哈希结构。dict结构体的定义如下：

typedef struct dict {
    dictType *type;     // 类型特定函数
    void *privdata;     // 私有数据
    dictht ht[2];       // 两个哈希表，ht[0]为主哈希表，ht[1]为rehash时使用的哈希表
    long rehashidx;     // rehash的数组的下标
    unsigned long iterators; // 正在迭代的数量
} dict;

其中，type为一个指向函数的指针，它定义了一些哈希表的操作函数，默认为字典类型（dictType）的操作函数；privdata指向一些私有数据，可用于保存用户自定义的数据；ht是一个数组，其中ht[0]为主哈希表，ht[1]为rehash时使用的哈希表；rehashidx表示当前rehash的进度；iterators记录正运行的迭代器数量，防止在迭代时执行rehash等操作。

2. 添加键值对

向哈希结构中添加键值对时，Redis会先计算键的哈希值，然后通过哈希函数将键映射到相应的桶上。接下来，Redis会遍历该桶上的链表或红黑树，查找是否已存在相同的key。如果存在，Redis会根据业务需要更新或覆盖已有的value。如果不存在，则会创建一个新的dictEntry，将key、value等信息存储在ziplist中，并将其插入到该桶的链表或红黑树中。

如果向哈希表中添加的键值对数量已经超过了其负载因子（load factor，即键值对数量与桶数量的比值）的阈值，那么Redis会自动执行rehash操作，将所有键值对移动到一个桶数为原有的2倍的新哈希表中。在新哈希表插入元素之前，Redis会先将新哈希表与旧哈希表的指针互换，这样新的哈希表成为了主哈希表，旧的哈希表成为了rehash时使用的哈希表。

3. 删除键值对

从哈希结构中删除键值对时，Redis也会先计算键的哈希值，并通过哈希函数将键映射到相应的桶上。接下来，Redis会遍历该桶上的链表或红黑树，查找对应的dictEntry，并将其从链表或红黑树中移除。如果在删除元素之后，某个桶上的键值对为0，那么Redis会自动地进行缩容操作，将桶数减半，并将所有元素移动到新的哈希表中。

4. 查找键值对

在哈希结构中查找键值对时，Redis首先需要计算键的哈希值，并将其映射到相应的桶上。接下来，Redis会遍历该桶上的链表或红黑树，查找与指定键匹配的dictEntry。如果找到了匹配的dictEntry，则返回相应的value；否则返回空值。

5. 示例说明

下面是通过Redis命令行客户端进行添加、删除、查询操作的一些示例：

# 添加键为name，值为redis的键值对
$ hmset myhash name redis

# 查询键为name的值
$ hget myhash name
"redis"

# 删除键为name的键值对
$ hdel myhash name

# 查询键为name的值，此时已被删除，返回空值
$ hget myhash name
(nil)

另一个示例说明，如果我们向一个包含100万个键值对的哈希表中添加一个新的键值对，那么Redis默认的负载因子为0.75，所以当键值对数量达到750,000个时，Redis会自动执行rehash操作。这样一来，我们在哈希表中查询、添加、删除元素时，性能会得到极大的提升。