Redis使用SDS的原因

• SDS定义

struct  sdsher{
//记录buf中已保存字符的长度
//等于SDS所保存的字符串的长度
int  len;
//记录buf数组中未使用字节的数量
int free;
//字节数组，用于保存字符串
char buf[];
};

说明：SDS为了能够使用部分C字符串函数，遵循了C字符串以空字符结尾的惯例，保存空字符的1字节不计算在SDSlen属性中，并且为空字符分配额外的1字节空间，以及添加空字符到字符串末尾等操作，都是由SDS函数自动完成的，可以说空字符对使用者是不可见的！

• 为什么使用SDS（simple dynamic string）
  举个简单例子：一个简单的C字符串 “Redis”
  
  C语言使用这种简单的字符串表示方法，并不能满足Redis对字符串在安全性、效率性以及功能方面的要求。

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1、常数复杂度获取字符串长度

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C语言中实现字符串长度计数的复杂度为O（N）。
而反观SDS中，因为其结构中保存了len这一属性，所以获取SDS长度的复杂度仅为O（1）。
并且我们不需要手动修改len属性，设置和更新SDS长度的工作是由SDS的API在执行时自动完成的。

2、杜绝缓冲区溢出

C语言由于不记录自身长度，所以又带来一个问题：容易造成缓冲区溢出（buffer overflow）。
举个栗子！当我们拥有两个C字符串s1，s2。而恰好s1、s2的内存是紧挨着的，那么当对s1执行某些操作，例如字符串拼接函数strcat（char* dest，char* src），那么毫无疑问，s2的数据会被覆盖掉！这样就造成了数据的丢失！
示意图：

执行strcat(s1,“dlrow”);

所以，SDS与C字符串不同，由于其记录了长度，所以在API需要对SDS进行修改时，API会先检查SDS的空间是否满足修改所需要的空间，如果不满足，API会自动将SDS的空间扩展至执行修改所需的大小，然后才执行操作，因此避免了缓冲区溢出的问题！
依旧以上述例子为例：
当SDS执行 sdscat(s1,“dlrow”)时，首先检测到长度是否满足：

不满足，于是去拓展空间：

注意此处又为SDS分配了10字节未使用空间，并且拼接后的字符串也是10！this is not a coincidence！它与SDS的空间分配策略有关！

3、减少修改字符串时带来的内存重分配次数（接上点）

上点中说到C字符串可能发生缓冲区溢出，实际上，C字符串在处理增长或者缩短操作时，程序会对这个C字符串的数组进行一次内存重分配操作：
（1）如果程序执行的是增长字符串的操作，比如拼接操作（append），那么在执行这个操作之前，程序需要先通过内存重分配来扩展底层数组的空间大小----如果忘了这一步就会产生缓冲区溢出。
（2）如果程序执行的是缩短字符串的操作，比如截断操作（trim），那么在执行这个操作之后，程序需要通过内存重分配来释放字符串不再使用的那部分空间----如果忘了这一步就会产生内存泄漏。

而因为内存重分配设计复杂的算法，甚至可能需要执行系统调用，所以它通常是一个比较耗时的操作：
对于一般程序而言，对于修改字符串的长度的情况可能不太频繁，所以每次修改都执行一次内存重分配也还是可以接受的。
但是Redis作为数据库，经常被用于速度要求严苛、数据被频繁修改的场合，那么显然，如果每次都要执行一次内存重分配，开销简直惊为天人！

所以SDS对于这种情况的处理是：SDS的free属性！
SDS通过未使用空间解除了字符串长度和底层数组长度之间的关联：在SDS中，buf数组的长度不一定就是保存的字符长度加一（这个在之前的结构体中可以看出），数组里可以包含未使用的字节，而这些字节的数量就由SDS的free属性记录。
通过free属性（未使用空间），SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略！
（1）空间预分配
空间预分配用于优化SDS的字符串增长操作：当SDS的API对一个SDS进行修改，并且需要对SDS进行空间拓展时，程序不仅为SDS分配修改所需要的空间，还会为SDS分配额外的未使用空间，这与cache中的一些算法思想相类似，都是认为最近使用过的数据可能会被再次访问或者修改，于是便给其一个预留的未使用空间！
分配原则一般如下：
如果对SDS进行修改之后，SDS的长度（也就是len属性的值）将小于1MB，那么程序分配和len属性同样大小的未使用空间。反之，如果SDS的长度将大于1MB，那么程序会分配1MB的未使用空间。
（但是值得注意的是，SDS总占字节数 = len + free + 1,1是末尾空字符）
显然，通过使用空间预分配是可以有效减少内存重分配次数的。
如果不采用此预分配策略，当SDS需要连续增长N次时，内存重分配为N次，而应用此策略，则变成了最多N次！

（2）惰性空间释放
同（1）所述，当面对字符串缩短操作：如果没有特殊操作，SDS的API需要缩短SDS保存的字符串，那么就需要使用内存重分配来回收多余的字节。
而当我们有了free属性，可以将多余字节调配给free记录下来，并等待将来使用！这也就为将来可能存在的增长操作提供了优化！

4、二进制安全

Redis作为数据库，就必须确保能够在各种场景中使用，所以SDS的API都是二进制安全的！这里的各种各样场景指的是，保存的音频、图片、视频等等数据。
所以SDS的buf属性被称为字节数组——Redis保存的数据不是“字符”，而是二进制数据！

内容参考自《Redis设计与实现》