本来打算只用一篇文章来讲解Redis中的list，在实际写作过程中发现Redis中有多种list的实现，所以准备拆成多篇文章，本文主要讲ziplist，ziplist也是quicklist的基础。另外还有skiplist，skiplist虽然是list，当主要和set命令相关，所以会放到后面。 本文主要涉及到的源码在ziplist.c
何为ziplist？我们可以在ziplist.c源码头部找到一段Redis作者的一段介绍。
The ziplist is a specially encoded dually linked list that is designed to be very memory efficient. It stores both strings and integer values, where integers are encoded as actual integers instead of a series of characters. It allows push and pop operations on either side of the list in O(1) time.However, because every operation requires a reallocation of the memory used by the ziplist, the actual complexity is related to the amount of memory used by the ziplist.
ziplist是为了提高存储效率而设计的一种特殊编码的双向链表。它可以存储字符串或者整数，存储整数时是采用整数的二进制而不是字符串形式存储。他能在O(1)的时间复杂度下完成list两端的push和pop操作。但是因为每次操作都需要重新分配ziplist的内存，所以实际复杂度和ziplist的内存使用量相关。
前半句还好理解，但每次操作都需要重新分配内存…… 就有点耐人寻味了。别急，你看完ziplist的具体实现就懂了。
ziplist在逻辑上是个双向链表，但它是存储在一大块连续的内存空间上的。与其说ziplist是个数据结构，倒不如说他是Redis中双向链表的序列化存储方式。
整个ziplist在内存中的存储格式如下： ziplist主要有这么几个部分：
zlbytes: 32位无符号整型，表示整个ziplist所占的空间大小，包含了zlbytes所占的4个字节。这个字段可以在重置整个ziplist大小时不需要遍历整个list来确定大小，空间换时间。zltail: 32位无符号整型，表示整个list中最后一项所在的偏移量，方便在尾部做pop操作。zllen: 16位，表示ziplist中所存储的entry数量，但是注意，这里最多表示 2 16 − 2 2^{16} -2 216−2个entry， 如果是 2 16 − 1 2^{16}-1 216−1有特殊含义， 2 16 − 1 2^{16}-1 216−1表示存储数量超过了 2 16 − 2 2^{16}-2 216−2个，但具体是多少个得遍历一次才能知道。zlend: 8位，ziplist的末尾表示，值固定是255.entry: 不定长，可能有多个，list中具体的数据项，下面会详细介绍。这里最核心的就是entry的数据格式，entry还真有些复杂，从上图中可以看出它主要有三个部分。
prelen: 前一个entry的存储大小，主要是为了方便从后往前遍历。encoding: 数据的编码形式（字符串还是数字，长度是多少）data: 实际存储的数据比较复杂的是Redis为了节省内存空间，对上面三个字段设计了一套比较复杂的编码方式，本质上就是一套变长的编码协议，具体规则如下：
如果prelen数值小于254，那就只用一个字节来表示长度，如果长度大于等于254就用5个字节，第一个字节是固定值254(FE)来标识这是个特殊的数据，剩下的4个字节来表示实际的长度。
encoding的具体值取决于entry中具体的内容，当entry是个string时，encoding的前两字节存储了字符串的长度。当entry是一个整数的时候，前两字节默认都是1，后面两字节标识出后面存的是哪种类型的整数，第一个字节就足够判断出entry是什么类型了。不同的encoding类型示例如下:
|00pppppp| - 1字节长度小于或者等于63的String类型，'pppppp’无符号6位数标识string长度。
|01pppppp|qqqqqqqq| - 2字节长度小于或者等于16383的String类型(14位)，注意：14位’pppppp’采用大端的方式存储
|10000000|qqqqqqqq|rrrrrrrr|ssssssss|tttttttt| - 5字节长度大于等于16384的String类型，第二字节开始的qqrrsstt都是用来存储字符串长度的二进制位，可表示的字符串长度最大2^32-1，第一字节的低6位没有用，所以都是0。 注意: 32位数采用大端的方式存储
|11000000| - 3字节存储int16_t (2字节).
|11010000| - 5字节存储int32_t (4字节).
|11100000| - 9字节存储int64_t (8字节).
|11110000| - 4字节24位有符号类型整数 (3字节).
|11111110| - 2字节8位有符号类型整数 (1字节).
|1111xxxx| - (xxxx在0001和1101之间) 4位无符号整数.0到12的无符号整数.编码值实际上是从1到13，因为0000和1111不能使用，要留出一位表示0，所以应该从编码值中减去1才是准确值
在某些比较小的数值下，具体值可以直接存储到encoding字段里。
ziplist.c代码也较多，双链表操作很多代码在ziplist中比较多，其实本质上都是它这复杂的存储格式导致的，实际上理解了它的编码格式，具体代码不难理解。这里我只列出几个我认为比较重要的API，其他可以参考源码ziplist.c。
ziplist其实只是一种双向队列的序列化方式，是在内存中的存储格式，实际上并不能直接拿过来用，用户看到的ziplist只是一个char *指针，其中每个entry在实际使用中还需要反序列化成zlentry方便调用。
typedef struct zlentry { unsigned int prevrawlensize; /* 内存中编码后的prevrawlen用了多少字节 */ unsigned int prevrawlen; /* 前一个entry占用的长度，主要是为了entry之间跳转 */ unsigned int lensize; /* 内存中编码后的len用了多少字节 */ unsigned int len; /* 当前entry的长度，如果是string则表示string的长度，如果是整数，则len依赖于具体数值大小。*/ unsigned int headersize; /* prevrawlensize + lensize. entry的head部分用了多少字节 */ unsigned char encoding; /* 当前entry的编码格式 */ unsigned char *p; /* 指向数据域的指针 */ } zlentry;另外有一点，ziplist在内存中是高度紧凑的连续存储，这意味着它起始对修改并不友好，如果要对ziplist做修改类的操作，那就需重新分配新的内存来存储新的ziplist，代价很大，具体插入和删除的代码如下。
/* 在p位置插入数据 *s. */ unsigned char *__ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen) { size_t curlen = intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl)), reqlen; unsigned int prevlensize, prevlen = 0; size_t offset; int nextdiff = 0; unsigned char encoding = 0; long long value = 123456789; /* initialized to avoid warning. Using a value that is easy to see if for some reason we use it uninitialized. */ zlentry tail; /* 找到前一个节点计算出prevlensize和prevlen */ if (p[0] != ZIP_END) { ZIP_DECODE_PREVLEN(p, prevlensize, prevlen); } else { unsigned char *ptail = ZIPLIST_ENTRY_TAIL(zl); if (ptail[0] != ZIP_END) { prevlen = zipRawEntryLength(ptail); } } /* See if the entry can be encoded */ if (zipTryEncoding(s,slen,&value,&encoding)) { /* 'encoding' is set to the appropriate integer encoding */ reqlen = zipIntSize(encoding); } else { /* 'encoding' is untouched, however zipStoreEntryEncoding will use the * string length to figure out how to encode it. */ reqlen = slen; } /* We need space for both the length of the previous entry and * the length of the payload. */ reqlen += zipStorePrevEntryLength(NULL,prevlen); reqlen += zipStoreEntryEncoding(NULL,encoding,slen); /* When the insert position is not equal to the tail, we need to * make sure that the next entry can hold this entry's length in * its prevlen field. */ int forcelarge = 0; nextdiff = (p[0] != ZIP_END) ? zipPrevLenByteDiff(p,reqlen) : 0; if (nextdiff == -4 && reqlen < 4) { nextdiff = 0; forcelarge = 1; } /* Store offset because a realloc may change the address of zl. */ offset = p-zl; // 计算出需要的内存容量，然后重新生成一个新大小的zl替换掉原来的zl。 zl = ziplistResize(zl,curlen+reqlen+nextdiff); p = zl+offset; /* 迁移数据，然后更新tail的offset */ if (p[0] != ZIP_END) { /* Subtract one because of the ZIP_END bytes */ memmove(p+reqlen,p-nextdiff,curlen-offset-1+nextdiff); /* Encode this entry's raw length in the next entry. */ if (forcelarge) zipStorePrevEntryLengthLarge(p+reqlen,reqlen); else zipStorePrevEntryLength(p+reqlen,reqlen); /* Update offset for tail */ ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+reqlen); /* When the tail contains more than one entry, we need to take * "nextdiff" in account as well. Otherwise, a change in the * size of prevlen doesn't have an effect on the *tail* offset. */ zipEntry(p+reqlen, &tail); if (p[reqlen+tail.headersize+tail.len] != ZIP_END) { ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+nextdiff); } } else { /* This element will be the new tail. */ ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(p-zl); } /* When nextdiff != 0, the raw length of the next entry has changed, so * we need to cascade the update throughout the ziplist */ if (nextdiff != 0) { offset = p-zl; zl = __ziplistCascadeUpdate(zl,p+reqlen); p = zl+offset; } /* 写入数据 */ p += zipStorePrevEntryLength(p,prevlen); p += zipStoreEntryEncoding(p,encoding,slen); if (ZIP_IS_STR(encoding)) { memcpy(p,s,slen); } else { zipSaveInteger(p,value,encoding); } ZIPLIST_INCR_LENGTH(zl,1); return zl; }ziplist节点删除
unsigned char *__ziplistDelete(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned int num) { unsigned int i, totlen, deleted = 0; size_t offset; int nextdiff = 0; zlentry first, tail; zipEntry(p, &first); for (i = 0; p[0] != ZIP_END && i < num; i++) { p += zipRawEntryLength(p); deleted++; } totlen = p-first.p; /* 删除元素后减少的内存空间(字节) */ if (totlen > 0) { if (p[0] != ZIP_END) { /* Storing `prevrawlen` in this entry may increase or decrease the * number of bytes required compare to the current `prevrawlen`. * There always is room to store this, because it was previously * stored by an entry that is now being deleted. */ nextdiff = zipPrevLenByteDiff(p,first.prevrawlen); /* Note that there is always space when p jumps backward: if * the new previous entry is large, one of the deleted elements * had a 5 bytes prevlen header, so there is for sure at least * 5 bytes free and we need just 4. */ p -= nextdiff; zipStorePrevEntryLength(p,first.prevrawlen); /* Update offset for tail */ ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))-totlen); /* When the tail contains more than one entry, we need to take * "nextdiff" in account as well. Otherwise, a change in the * size of prevlen doesn't have an effect on the *tail* offset. */ zipEntry(p, &tail); if (p[tail.headersize+tail.len] != ZIP_END) { ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe(intrev32ifbe(ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl))+nextdiff); } /* 把tail移动到ziplist的前面*/ memmove(first.p,p, intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl))-(p-zl)-1); } else { /* The entire tail was deleted. No need to move memory. */ ZIPLIST_TAIL_OFFSET(zl) = intrev32ifbe((first.p-zl)-first.prevrawlen); } /* 更新ziplist大小 */ offset = first.p-zl; zl = ziplistResize(zl, intrev32ifbe(ZIPLIST_BYTES(zl))-totlen+nextdiff); ZIPLIST_INCR_LENGTH(zl,-deleted); // 更新zllen p = zl+offset; /* When nextdiff != 0, the raw length of the next entry has changed, so * we need to cascade the update throughout the ziplist */ if (nextdiff != 0) zl = __ziplistCascadeUpdate(zl,p); } return zl; }插入删除的基本逻辑都是类似，先定位，然后算插入/删除后所需的内存空间变化，根据计算出来新的空间大小对zl做ziplistResize()，然后更新zl的元信息。 除了插入删除外，像ziplistPush ziplistMerge，这这种带改动的API，最后都调用了 ziplistResize， ziplistResize代码如下：
unsigned char *ziplistResize(unsigned char *zl, unsigned int len) { zl = zrealloc(zl,len); ZIPLIST_BYTES(zl) = intrev32ifbe(len); zl[len-1] = ZIP_END; return zl; }看起来很简短，其实大量的逻辑都在zrealloc中，zrealloc是个宏定义(突然感觉c的宏定义很骚)，其实主要逻辑就是申请一块长度为len的空间，然后释放原来zl所指向的空间。这里可以看出 ziplist修改的代价是很高的 ，如果在使用中有频繁更新list的操作，建议对list相关的配置做些优化。
具体API定义列表见源码ziplist.h
unsigned char *ziplistNew(void); // 新建ziplist unsigned char *ziplistMerge(unsigned char **first, unsigned char **second); // 合并两个ziplist unsigned char *ziplistPush(unsigned char *zl, unsigned char *s, unsigned int slen, int where); // 在ziplist头部或者尾部push一个节点 unsigned char *ziplistIndex(unsigned char *zl, int index); // 找到某个下标的节点 unsigned char *ziplistNext(unsigned char *zl, unsigned char *p); // 找到p节点的下一个节点 unsigned char *ziplistPrev(unsigned char *zl, unsigned char *p); // 找到p节点的前一个节点 unsigned int ziplistGet(unsigned char *p, unsigned char **sval, unsigned int *slen, long long *lval); // 获取entry中存储的具体内容 unsigned char *ziplistInsert(unsigned char *zl, unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen); // 插入 unsigned char *ziplistDelete(unsigned char *zl, unsigned char **p); // 删除 unsigned char *ziplistDeleteRange(unsigned char *zl, int index, unsigned int num); // 删除某个下标区间内的节点 unsigned int ziplistCompare(unsigned char *p, unsigned char *s, unsigned int slen); // 比较两个节点的大小 unsigned char *ziplistFind(unsigned char *p, unsigned char *vstr, unsigned int vlen, unsigned int skip); // 找到某个特定值的节点 unsigned int ziplistLen(unsigned char *zl); // ziplist的长度 size_t ziplistBlobLen(unsigned char *zl); // ziplist的存储空间大小 void ziplistRepr(unsigned char *zl); //ziplist其实是一个逻辑上的双向链表，可以快速找到头节点和尾节点，然后每个节点(entry)中也包含指向前/后节点的"指针"，但作者为了将内存节省到极致，摒弃了传统的链表设计(前后指针需要16字节的空间，而且会导致内存碎片化严重)，设计出了内存非常紧凑的存储格式。内存是省下来了，但操作复杂性也更新的复杂度上来了，当然Redis作者也考虑了这点，所以也设计出了ziplist和传统双向链表的折中——quicklist，我们将在下一篇博文中详细介绍quicklist。
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xindoo 认证博客专家 Linux 分布式 Spring 一个有趣有料的程序猿，9年技术博主，曾在阿里做过3年运维相关工作，现为某厂资深后端工程师，拥有丰富的挖坑踩坑填坑背锅经验[狗头]，专注于Java，对操作系统、网络、编译原理也有涉猎。微信号: zxs-io 添加注明