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Redis Linked List

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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。

Redis 的 List 对象的底层实现之一就是链表。C 语言本身没有链表这个数据结构，所以 Redis 自主设计了一个链表数据结构。

链表节点设计

「链表节点」

typedef struct listNode {
    // 前驱
    struct listNode *prev;
    // 后继
    struct listNode *next;
    // 节点值
    void *value;
} listNode;

多个 listNode 可以通过 prev 和 next 指针组成双端链表：

链表结构设计

虽然仅仅使用多个 listNode 结构就可以组成链表，但是 Redis 在 listNode 结构体基础上又封装了 list 这个数据结构，这样操作起来会更方便。

「链表结构」

typedef struct list {
    // 头节点
    listNode *head;
    // 尾节点
    listNode *tail;
    // 节点值复制函数
    void *(*dup)(void *ptr);
    // 节点值释放函数
    void (*free)(void *ptr);
    // 节点值比较函数
    int (*match)(void *ptr, void *key);
    // 节点数量
    unsigned long len;
} list;

list 结构为链表提供了链表头指针 head、链表尾节点 tail、链表节点数量 len、以及可以自定义（实现多态链表）实现的 dup、free、match 函数。

链表的优势和缺陷

优势

  1. listNode 链表节点的结构里带有 prev 和 next 指针，获取某个节点的前置节点或后置节点的时间复杂度为O(1)，而且这两个指针都可以指向 NULL，所以链表是无环链表；
  2. list 结构因为提供了表头指针 head 和表尾节点 tail，所以获取链表的表头节点和表尾节点的时间复杂度为O(1)；
  3. list 结构因为提供了链表节点数量 len，所以获取链表中的节点数量的时间复杂度为O(1)；
  4. listNode 链表节使用 void* 指针保存节点值，并且可以通过 list 结构的 dup、free、match 函数指针为节点设置该节点类型特定的函数，因此链表节点可以保存各种不同类型的值。

缺陷

  • 链表的每个节点之间的内存都是不连续的，意味着无法很好利用 CPU 缓存。能够很好利用 CPU 缓存的数据结构就是数组，因为数组的内存空间是连续的，这样就可以充分利用 CPU 缓存来加速访问；
  • 保存一个链表节点值都需要一个链表节点结构的分配，内存开销较大。

总结

Redis3.0 的 list 对象在数据量比较少的情况下，会采用「压缩列表」作为底层数据结构的实现，它的优势是节省内存空间，并且是内存紧凑型的数据结构。不过，压缩列表存在性能问题，所以 Redis 在 3.2 版本设计了新的数据结构 quicklist，并将 list 对象的底层数据结构改由 quicklist 实现。然后在 Redis 5.0 设计了新的数据结构 listpack，沿用了压缩列表紧凑型的内存布局，最终在最新的 Redis 版本，将 Hash 对象和 Zset 对象的底层数据结构实现之一的压缩列表，替换成由 listpack 实现。

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