Redis中哈希分布不均匀的解决办法

Redis 是一个键值对数据库，其键是通过哈希进行存储的。整个 Redis 可以认为是一个外层哈希，之所以称为外层哈希，是因为 Redis 内部也提供了一种哈希类型，这个可以称之为内部哈希。当我们采用哈希对象进行数据存储时，对整个 Redis 而言，就经过了两层哈希存储。

哈希对象

哈希对象本身也是一个 key-value 存储结构，底层的存储结构也可以分为两种：ziplist（压缩列表） 和 hashtable（哈希表）。这两种存储结构也是通过编码来进行区分：

hashtable

Redis 中的 key-value 是通过 dictEntry 对象进行包装的，而哈希表就是将 dictEntry 对象又进行了再一次的包装得到的，这就是哈希表对象 dictht：

typedef struct dictht {
  dictEntry **table;//哈希表数组
  unsigned long size;//哈希表大小
  unsigned long sizemask;//掩码大小，用于计算索引值，总是等于size-1
  unsigned long used;//哈希表中的已有节点数
} dictht;

注意：上面结构定义中的 table 是一个数组，其每个元素都是一个 dictEntry 对象。

字典

字典，又称为符号表（symbol table），关联数组（associative array）或者映射（map），字典的内部嵌套了哈希表 dictht 对象，下面就是一个字典 ht 的定义：

typedef struct dict {
  dictType *type;//字典类型的一些特定函数
  void *privdata;//私有数据，type中的特定函数可能需要用到
  dictht ht[2];//哈希表(注意这里有2个哈希表)
  long rehashidx; //rehash索引，不在rehash时，值为-1
  unsigned long iterators; //正在使用的迭代器数量
} dict;

其中 dictType 内部定义了一些常用函数，其数据结构定义如下：

typedef struct dictType {
  uint64_t (*hashFunction)(const void *key);//计算哈希值函数
  void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);//复制键函数
  void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);//复制值函数
  int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);//对比键函数
  void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key);//销毁键函数
  void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj);//销毁值函数
} dictType;

当我们创建一个哈希对象时，可以得到如下简图（部分属性被省略）：

rehash 操作

dict 中定义了一个数组 ht[2]，ht[2] 中定义了两个哈希表：ht[0] 和 ht[1]。而 Redis 在默认情况下只会使用 ht[0]，并不会使用 ht[1]，也不会为 ht[1] 初始化分配空间。

当设置一个哈希对象时，具体会落到哈希数组（上图中的 dictEntry[3]）中的哪个下标，是通过计算哈希值来确定的。如果发生哈希碰撞（计算得到的哈希值一致），那么同一个下标就会有多个 dictEntry，从而形成一个链表（上图中最右边指向 NULL 的位置），不过需要注意的是最后插入元素的总是落在链表的最前面（即发生哈希冲突时，总是将节点往链表的头部放）。

当读取数据的时候遇到一个节点有多个元素，就需要遍历链表，故链表越长，性能越差。为了保证哈希表的性能，需要在满足以下两个条件中的一个时，对哈希表进行 rehash（重新散列）操作：

负载因子大于等于 1 且 dict_can_resize 为 1 时。负载因子大于等于安全阈值（dict_force_resize_ratio=5）时。

PS：负载因子 = 哈希表已使用节点数 / 哈希表大小（即：h[0].used/h[0].size）。

rehash 步骤

扩展哈希和收缩哈希都是通过执行 rehash 来完成，这其中就涉及到了空间的分配和释放，主要经过以下五步：

为字典 dict 的 ht[1] 哈希表分配空间，其大小取决于当前哈希表已保存节点数（即：ht[0].used）：

如果是扩展操作则 ht[1] 的大小为 2 的 n次方中第一个大于等于ht[0].used * 2属性的值（比如used=3，此时ht[0].used * 2=6，故 2的3次方为8就是第一个大于used * 2 的值（2 的 2 次方 < 6 且 2 的 3 次方 > 6））。 如果是收缩操作则 ht[1] 大小为 2 的 n 次方中第一个大于等于 ht[0].used 的值。

将字典中的属性 rehashix 的值设置为 0，表示正在执行 rehash 操作。

将 ht[0] 中所有的键值对依次重新计算哈希值，并放到 ht[1] 数组对应位置，每完成一个键值对的 rehash之后 rehashix 的值需要自增 1。

当 ht[0] 中所有的键值对都迁移到 ht[1] 之后，释放 ht[0] ，并将 ht[1] 修改为 ht[0]，然后再创建一个新的 ht[1] 数组，为下一次 rehash 做准备。

将字典中的属性 rehashix 设置为 -1，表示此次 rehash 操作结束，等待下一次 rehash。

渐进式 rehash

Redis 中的这种重新哈希的操作因为不是一次性全部 rehash，而是分多次来慢慢的将 ht[0] 中的键值对 rehash 到 ht[1]，故而这种操作也称之为渐进式 rehash。渐进式 rehash 可以避免集中式 rehash 带来的庞大计算量，是一种分而治之的思想。

在渐进式 rehash 过程中，因为还可能会有新的键值对存进来，此时** Redis 的做法是新添加的键值对统一放入 ht[1] 中，这样就确保了 ht[0] 键值对的数量只会减少**。

当正在执行 rehash操作时，如果服务器收到来自客户端的命令请求操作，则会先查询 ht[0]，查找不到结果再到ht[1] 中查询。

ziplist

关于 ziplist 的一些特性，之前的文章中有单独进行过分析，想要详细了解的，可以点击这里。但是需要注意的是哈希对象中的 ziplist 和列表对象中 ziplist 的有一点不同就是哈希对象是一个 key-value 形式，所以其 ziplist 中也表现为 key-value，key 和 value 紧挨在一起：

ziplist 和 hashtable 的编码转换

当一个哈希对象可以满足以下两个条件中的任意一个，哈希对象会选择使用 ziplist 编码来进行存储：

• 哈希对象中的所有键值对总长度（包括键和值）小于等于 64字节（这个阈值可以通过参数 hash-max-ziplist-value 来进行控制）。
• 哈希对象中的键值对数量小于等于 512 个（这个阈值可以通过参数 hash-max-ziplist-entries 来进行控制）。

一旦不满足这两个条件中的任意一个，哈希对象就会选择使用 hashtable 编码进行存储。

哈希对象常用命令

•  hset key field value：设置单个 field（哈希对象的 key 值）。
• hmset key field1 value1 field2 value2 ：设置多个 field（哈希对象的 key 值）。
• hsetnx key field value：将哈希表 key 中域 field 的值设置为 value，如果 field 已存在，则不执行任何操作。
• hget key field：获取哈希表 key 中的域 field 对应的 value。
• hmget key field1 field2：获取哈希表 key 中的多个域 field 对应的 value。
• hdel key field1 field2：删除哈希表 key 中的一个或者多个 field。
• hlen key：返回哈希表key中域的数量。
• hincrby key field increment：为哈希表 key 中的域 field 的值加上增量 increment ，increment 可以为负数，如果 field 不是数字则会报错。
• hincrbyfloat key field increment：为哈希表 key 中的域 field 的值加上增量 increment，increment 可以为负数，如果 field 不是 float 类型则会报错。
• hkeys key：获取哈希表 key 中的所有域。
• hvals key：获取哈希表中所有域的值。

了解了操作哈希对象的常用命令，我们就可以来验证下前面提到的哈希对象的类型和编码了，在测试之前为了防止其他 key 值的干扰，我们先执行 flushall 命令清空 Redis 数据库。

然后依次执行如下命令：

hset address country china
type address
object encoding address

得到如下效果：

可以看到当我们的哈希对象中只有一个键值对的时候，底层编码是 ziplist。

现在我们将 hash-max-ziplist-entries 参数改成 2，然后重启 Redis，最后再输入如下命令进行测试：

hmset key field1 value1 field2 value2 field3 value3
object encoding key

输出之后得到如下结果：

可以看到，编码已经变成了 hashtable。

总结

本文主要介绍了 Redis 中 5 种常用数据类型中的哈希类型底层的存储结构 hashtable 的使用，以及当 hash 分布不均匀时候 Redis 是如何进行重新哈希的问题，最后了解了哈希对象的一些常用命令，并通过一些例子验证了本文的结论。