redis list

2019年4月21日 148次阅读 来源: Linkerist

链表

链表提供了高效的节点重排能力， 以及顺序性的节点访问方式， 并且可以通过增删节点来灵活地调整链表的长度。

作为一种常用数据结构， 链表内置在很多高级的编程语言里面， 因为 Redis 使用的 C 语言并没有内置这种数据结构， 所以 Redis 构建了自己的链表实现。

链表在 Redis 中的应用非常广泛， 比如列表键的底层实现之一就是链表： 当一个列表键包含了数量比较多的元素， 又或者列表中包含的元素都是比较长的字符串时， Redis 就会使用链表作为列表键的底层实现。

举个例子， 以下展示的 integers 列表键包含了从 1 到 1024 共一千零二十四个整数：

redis> LLEN integers
(integer) 1024

redis> LRANGE integers 0 10
1) "1"
2) "2"
3) "3"
4) "4"
5) "5"
6) "6"
7) "7"
8) "8"
9) "9"
10) "10"
11) "11"

integers 列表键的底层实现就是一个链表， 链表中的每个节点都保存了一个整数值。

除了链表键之外， 发布与订阅、慢查询、监视器等功能也用到了链表， Redis 服务器本身还使用链表来保存多个客户端的状态信息， 以及使用链表来构建客户端输出缓冲区（output buffer）， 本书后续的章节将陆续对这些链表应用进行介绍。

本章接下来的内容将对 Redis 的链表实现进行介绍， 并列出相应的链表和链表节点 API 。

因为已经有很多优秀的算法书籍对链表的基本定义和相关算法进行了详细的讲解， 所以本章不会介绍这些内容， 如果不具备关于链表的基本知识的话， 可以参考《算法：C 语言实现（第 1 ～ 4 部分）》一书的 3.3 至 3.5 节， 或者《数据结构与算法分析：C 语言描述》一书的 3.2 节， 又或者《算法导论（第三版）》一书的 10.2 节。

链表和链表节点的实现

每个链表节点使用一个 adlist.h/listNode 结构来表示：

typedef struct listNode {

    // 前置节点
    struct listNode *prev;

    // 后置节点
    struct listNode *next;

    // 节点的值
    void *value;

} listNode;

多个 listNode 可以通过 prev 和 next 指针组成双端链表， 如图 3-1 所示。

《redis list》

虽然仅仅使用多个 listNode 结构就可以组成链表， 但使用 adlist.h/list 来持有链表的话， 操作起来会更方便：

typedef struct list {

    // 表头节点
    listNode *head;

    // 表尾节点
    listNode *tail;

    // 链表所包含的节点数量
    unsigned long len;

    // 节点值复制函数
    void *(*dup)(void *ptr);

    // 节点值释放函数
    void (*free)(void *ptr);

    // 节点值对比函数
    int (*match)(void *ptr, void *key);

} list;

list 结构为链表提供了表头指针 head 、表尾指针 tail ， 以及链表长度计数器 len ， 而 dup 、 free 和 match 成员则是用于实现多态链表所需的类型特定函数：

  • dup 函数用于复制链表节点所保存的值；
  • free 函数用于释放链表节点所保存的值；
  • match 函数则用于对比链表节点所保存的值和另一个输入值是否相等。

图 3-2 是由一个 list 结构和三个 listNode 结构组成的链表：

《redis list》

Redis 的链表实现的特性可以总结如下：

  • 双端： 链表节点带有 prev 和 next 指针， 获取某个节点的前置节点和后置节点的复杂度都是 O(1) 。
  • 无环： 表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL ， 对链表的访问以 NULL 为终点。
  • 带表头指针和表尾指针： 通过 list 结构的 head 指针和 tail 指针， 程序获取链表的表头节点和表尾节点的复杂度为 O(1) 。
  • 带链表长度计数器： 程序使用 list 结构的 len 属性来对 list 持有的链表节点进行计数， 程序获取链表中节点数量的复杂度为 O(1) 。
  • 多态： 链表节点使用 void* 指针来保存节点值， 并且可以通过 list 结构的 dup 、 free 、 match 三个属性为节点值设置类型特定函数， 所以链表可以用于保存各种不同类型的值。

链表和链表节点的 API

表 3-1 列出了所有用于操作链表和链表节点的 API 。

表 3-1 链表和链表节点 API

函数作用时间复杂度
listSetDupMethod将给定的函数设置为链表的节点值复制函数。O(1) 。
listGetDupMethod返回链表当前正在使用的节点值复制函数。复制函数可以通过链表的 dup 属性直接获得， O(1)
listSetFreeMethod将给定的函数设置为链表的节点值释放函数。O(1) 。
listGetFree返回链表当前正在使用的节点值释放函数。释放函数可以通过链表的 free 属性直接获得， O(1)
listSetMatchMethod将给定的函数设置为链表的节点值对比函数。O(1)
listGetMatchMethod返回链表当前正在使用的节点值对比函数。对比函数可以通过链表的 match 属性直接获得， O(1)
listLength返回链表的长度（包含了多少个节点）。链表长度可以通过链表的 len 属性直接获得， O(1) 。
listFirst返回链表的表头节点。表头节点可以通过链表的 head 属性直接获得， O(1) 。
listLast返回链表的表尾节点。表尾节点可以通过链表的 tail 属性直接获得， O(1) 。
listPrevNode返回给定节点的前置节点。前置节点可以通过节点的 prev 属性直接获得， O(1) 。
listNextNode返回给定节点的后置节点。后置节点可以通过节点的 next 属性直接获得， O(1) 。
listNodeValue返回给定节点目前正在保存的值。节点值可以通过节点的 value 属性直接获得， O(1) 。
listCreate创建一个不包含任何节点的新链表。O(1)
listAddNodeHead将一个包含给定值的新节点添加到给定链表的表头。O(1)
listAddNodeTail将一个包含给定值的新节点添加到给定链表的表尾。O(1)
listInsertNode将一个包含给定值的新节点添加到给定节点的之前或者之后。O(1)
listSearchKey查找并返回链表中包含给定值的节点。O(N) ， N 为链表长度。
listIndex返回链表在给定索引上的节点。O(N) ， N 为链表长度。
listDelNode从链表中删除给定节点。O(1) 。
listRotate将链表的表尾节点弹出，然后将被弹出的节点插入到链表的表头， 成为新的表头节点。O(1)
listDup复制一个给定链表的副本。O(N) ， N 为链表长度。
listRelease释放给定链表，以及链表中的所有节点。O(N) ， N 为链表长度。

重点回顾

  • 链表被广泛用于实现 Redis 的各种功能， 比如列表键， 发布与订阅， 慢查询， 监视器， 等等。
  • 每个链表节点由一个 listNode 结构来表示， 每个节点都有一个指向前置节点和后置节点的指针， 所以 Redis 的链表实现是双端链表。
  • 每个链表使用一个 list 结构来表示， 这个结构带有表头节点指针、表尾节点指针、以及链表长度等信息。
  • 因为链表表头节点的前置节点和表尾节点的后置节点都指向 NULL ， 所以 Redis 的链表实现是无环链表。
  • 通过为链表设置不同的类型特定函数， Redis 的链表可以用于保存各种不同类型的值。

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