初步理解 Redis 源码：SDS（Simple Dynamic Strings）剖析

SDS（Simple Dynamic Strings，简单动态字符串）是 Redis 实现高性能和高可用的基础数据结构之一，几乎所有字符串和整数数据都基于 SDS 存储。本文将系统梳理 SDS 的底层实现原理、演进过程及其 API 设计。

1. 前置思考：C 语言字符串的局限

C 语言原生字符串以 \0 结尾，存在两个主要问题：

• 非二进制安全：若字符串中包含 \0，读取时会被截断，无法完整表示任意二进制数据。
• 获取长度低效：每次获取字符串长度都需遍历直到遇到 \0，时间复杂度为 O(n)。

如何实现二进制安全的字符串？

只需在结构体中额外维护一个长度字段，即可实现：

• 任意数据（包括\0）都能安全存储和读取；
• O(1) 时间获取字符串长度。

2. Redis 3.2 之前的 SDS 实现

Redis 早期 SDS 结构如下：

struct sdshdr {
    unsigned int len;   // 已占用长度
    unsigned int free;  // 剩余可用空间
    char buf[];         // 实际数据
};

结构优点：

• O(1) 获取长度和剩余空间；
• 动态数组 buf，兼容 C 字符串操作；
• 二进制安全。

结构缺陷：

• 对于短字符串，len 和 free 各占 4 字节，空间利用率低；
• 无法根据字符串实际长度灵活调整头部大小。

3. Redis 3.2+：多类型 SDS 结构

3.1 多类型 SDS 设计

为提升空间效率，Redis 3.2 后引入5种 SDS 结构，根据字符串长度动态选择：

类型选择流程图：

3.2 结构体定义

以 sdshdr8 为例：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len;      // 已用长度
    uint8_t alloc;    // 分配空间
    unsigned char flags; // 3位类型+5位预留
    char buf[];       // 数据
};

• flags 字段：前3位存类型，后5位存长度（sdshdr5）或预留。
• packed 修饰：强制1字节对齐，节省内存。

内存布局示意图（以 sdshdr8 为例）：

4. SDS API 核心实现

4.1 创建字符串

sds sdsnewlen(const void *init, size_t initlen);

主要流程：

1. 根据字符串长度选择合适类型；
2. 计算头部长度，分配内存（头部+数据+\0）；
3. 初始化各字段，返回 buf 指针。

注意事项：

• 空字符串直接使用 sdshdr8，避免频繁扩容；
• 分配空间为 头部+数据+1，最后1字节存 \0，兼容 C 字符串。

4.2 清空字符串

• 彻底释放内存：

  void sdsfree(sds s);
  // s 指向 buf，需减去头部长度获得结构体首地址再释放

• 仅重置内容（高效复用）：

  void sdsclear(sds s);
  // len 设为0，buf[0]='\0'，内存不释放

4.3 更新长度

如直接操作 buf 内容（如插入 \0），需手动更新 len 字段：

void sdsupdatelen(sds s) {
    size_t reallen = strlen(s);
    sdssetlen(s, reallen);
}

4.4 拼接与扩容

拼接字符串：

sds sdscatsds(sds s, const sds t) {
    return sdscatlen(s, t, sdslen(t));
}

核心扩容策略：

sds sdsMakeRoomFor(sds s, size_t addlen) {
    size_t avail = sdsavail(s);
    if (avail >= addlen) return s;
    size_t len = sdslen(s);
    size_t newlen = len + addlen;
    // <1MB，扩容为2倍；>=1MB，扩容为+1MB
    if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
        newlen *= 2;
    else
        newlen += SDS_MAX_PREALLOC;
    // 重新分配并迁移数据
    ...
}

扩容流程图：

5. SDS 优势总结

• 二进制安全：独立维护长度字段，支持任意内容；
• 高效空间利用：多类型结构，极致节省内存；
• 高性能：O(1) 获取长度/剩余空间，兼容 C 字符串操作；
• 灵活扩容：自动扩容策略，减少内存分配次数。

6. 参考资料

• Redis 源码
• Redis SDS 设计文档