今天，我们先了解下 String 类型的内存空间消耗问题，以及选择节省内存开销的数据类型的解决方案。
我想和你分享一个之前我面临的需求案例。
曾经，我们面临着一个任务，要创建一个高效的图片存储系统，要求这个系统能够快速记录图片 ID 和图片在存储系统中的唯一标识（我们称之为图片存储对象 ID）。此外，还需要能够通过图片 ID 快速检索到相应的图片存储对象 ID。
考虑到图片数量庞大，我们决定使用 10 位数字来表示图片 ID 和图片存储对象 ID。举个例子，图片 ID 可能是 1101000051，对应的存储对象 ID 则是 3301000051。
photo_id: 1101000051
photo_obj_id: 3301000051
这个案例很明显地展现了“键 - 单值”模式。在这种模式中，每个键值对中的值都是一个单一的值，而不是一个值的集合，与 String 类型的数据存储方式完美契合。
另外，String 类型的数据可以保存二进制字节流，这使得它非常灵活，只需将数据转换成二进制字节数组，就可以轻松地进行存储。
因此，我们的初始解决方案是使用 String 类型来存储数据。我们将图片 ID 和图片存储对象 ID 分别用作键值对中的键和值，其中图片存储对象 ID 使用了 String 类型。
最初，我们成功地存储了一亿张图片，大约使用了 6.4GB 的内存。但是，随着图片数据不断增加，我们开始遇到了问题，Redis 实例的内存使用量不断上升，导致生成 RDB 文件时出现延迟的情况。显然，String 类型并不是一个适合大规模数据存储的理想选择，因此我们需要寻找更为节省内存开销的数据类型解决方案。
在这个过程中，我深入研究了 String 类型的底层结构，找出了它内存开销较大的原因。这让我对这个“通用型”的 String 数据类型有了新的认识，它并不适用于所有情况，尤其在内存空间消耗方面存在明显短板。
与此同时，我还仔细研究了集合类型的数据结构，发现它们具有非常高效的内存管理结构。但是，集合类型的数据结构通常用于保存一键多值的数据，不太适用于直接存储单一键对应的单一值。因此，我们采用了二级编码的方法，成功地使用集合类型来存储单一键值对。这种改变显著降低了 Redis 实例的内存开销。
在本篇文章中，我将与你分享我在解决这一问题过程中所获得的经验和方法，包括 String 类型的内存开销问题，可节省内存的数据结构选择，以及如何使用集合类型来存储单一键值对。如果你在使用 String 类型时也遇到了内存开销较大的问题，那么今天的解决方案可能会对你有所帮助。
接下来，我们先来看看 String 类型的内存都消耗在哪里了。
在刚才的案例中，我们保存了 1 亿张图片的信息，用了约 6.4GB 的内存，一个图片 ID 和图片存储对象 ID 的记录平均用了 64 字节。
但问题是，一组图片 ID 及其存储对象 ID 的记录，实际只需要 16 字节就可以了。
我们来分析一下。图片 ID 和图片存储对象 ID 都是 10 位数，我们可以用两个 8 字节的 Long 类型表示这两个 ID。因为 8 字节的 Long 类型最大可以表示 2 的 64 次方的数值，所以肯定可以表示 10 位数。但是，为什么 String 类型却用了 64 字节呢？
其实，除了记录实际数据，String 类型还需要额外的内存空间记录数据长度、空间使用等信息，这些信息也叫作元数据。当实际保存的数据较小时，元数据的空间开销就显得比较大了，有点“喧宾夺主”的意思。
那么，String 类型具体是怎么保存数据的呢？我来解释一下。
当你保存 64 位有符号整数时，String 类型会把它保存为一个 8 字节的 Long 类型整数，这种保存方式通常也叫作 int 编码方式。
但是，当你保存的数据中包含字符时，String 类型就会用简单动态字符串（Simple Dynamic String，SDS）结构体来保存，如下图所示：
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buf：字节数组，保存实际数据。为了表示字节数组的结束，Redis 会自动在数组最后加一个“/0”，这就会额外占用 1 个字节的开销。
len：占 4 个字节，表示 buf 的已用长度。
alloc：也占个 4 字节，表示 buf 的实际分配长度，一般大于 len。
可以看到，在 SDS 中，buf 保存实际数据，而 len 和 alloc 本身其实是 SDS 结构体的额外开销。
另外，对于 String 类型来说，除了 SDS 的额外开销，还有一个来自于 RedisObject 结构体的开销。
因为 Redis 的数据类型有很多，而且，不同数据类型都有些相同的元数据要记录（比如最后一次访问的时间、被引用的次数等），所以，Redis 会用一个 RedisObject 结构体来统一记录这些元数据，同时指向实际数据。
一个 RedisObject 包含了 8 字节的元数据和一个 8 字节指针，这个指针再进一步指向具体数据类型的实际数据所在，例如指向 String 类型的 SDS 结构所在的内存地址，可以看一下下面的示意图。关于 RedisObject 的具体结构细节，我会在后面的课程中详细介绍，现在你只要了解它的基本结构和元数据开销就行了。
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为了节省内存空间，Redis 还对 Long 类型整数和 SDS 的内存布局做了专门的设计。
一方面，当保存的是 Long 类型整数时，RedisObject 中的指针就直接赋值为整数数据了，这样就不用额外的指针再指向整数了，节省了指针的空间开销。
另一方面，当保存的是字符串数据，并且字符串小于等于 44 字节时，RedisObject 中的元数据、指针和 SDS 是一块连续的内存区域，这样就可以避免内存碎片。这种布局方式也被称为 embstr 编码方式。
当然，当字符串大于 44 字节时，SDS 的数据量就开始变多了，Redis 就不再把 SDS 和 RedisObject 布局在一起了，而是会给 SDS 分配独立的空间，并用指针指向 SDS 结构。这种布局方式被称为 raw 编码模式。
为了帮助你理解 int、embstr 和 raw 这三种编码模式，我画了一张示意图，如下所示：
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好了，知道了 RedisObject 所包含的额外元数据开销，现在，我们就可以计算 String 类型的内存使用量了。
因为 10 位数的图片 ID 和图片存储对象 ID 是 Long 类型整数，所以可以直接用 int 编码的 RedisObject 保存。每个 int 编码的 RedisObject 元数据部分占 8 字节，指针部分被直接赋值为 8 字节的整数了。此时，每个 ID 会使用 16 字节，加起来一共是 32 字节。但是，另外的 32 字节去哪儿了呢？
Redis 会使用一个全局哈希表保存所有键值对，哈希表的每一项是一个 dictEntry 的结构体，用来指向一个键值对。dictEntry 结构中有三个 8 字节的指针，分别指向 key、value 以及下一个 dictEntry，三个指针共 24 字节，如下图所示：
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但是，这三个指针只有 24 字节，为什么会占用了 32 字节呢？这就要提到 Redis 使用的内存分配库 jemalloc 了。
jemalloc 在分配内存时，会根据我们申请的字节数 N，找一个比 N 大，但是最接近 N 的 2 的幂次数作为分配的空间，这样可以减少频繁分配的次数。
举个例子。如果你申请 6 字节空间，jemalloc 实际会分配 8 字节空间；如果你申请 24 字节空间，jemalloc 则会分配 32 字节。所以，在我们刚刚说的场景里，dictEntry 结构就占用了 32 字节。
好了，到这儿，你应该就能理解，为什么用 String 类型保存图片 ID 和图片存储对象 ID 时需要用 64 个字节了。
你看，明明有效信息只有 16 字节，使用 String 类型保存时，却需要 64 字节的内存空间，有 48 字节都没有用于保存实际的数据。我们来换算下，如果要保存的图片有 1 亿张，那么 1 亿条的图片 ID 记录就需要 6.4GB 内存空间，其中有 4.8GB 的内存空间都用来保存元数据了，额外的内存空间开销很大。那么，有没有更加节省内存的方法呢？
Redis 有一种底层数据结构，叫压缩列表（ziplist），这是一种非常节省内存的结构。
我们先回顾下压缩列表的构成。表头有三个字段 zlbytes、zltail 和 zllen，分别表示列表长度、列表尾的偏移量，以及列表中的 entry 个数。压缩列表尾还有一个 zlend，表示列表结束。
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压缩列表之所以能节省内存，就在于它是用一系列连续的 entry 保存数据。每个 entry 的元数据包括下面几部分。
prev_len，表示前一个 entry 的长度。prev_len 有两种取值情况：1 字节或 5 字节。取值 1 字节时，表示上一个 entry 的长度小于 254 字节。虽然 1 字节的值能表示的数值范围是 0 到 255，但是压缩列表中 zlend 的取值默认是 255，因此，就默认用 255 表示整个压缩列表的结束，其他表示长度的地方就不能再用 255 这个值了。所以，当上一个 entry 长度小于 254 字节时，prev_len 取值为 1 字节，否则，就取值为 5 字节。
len：表示自身长度，4 字节；
encoding：表示编码方式，1 字节；
content：保存实际数据。
这些 entry 会挨个儿放置在内存中，不需要再用额外的指针进行连接，这样就可以节省指针所占用的空间。
我们以保存图片存储对象 ID 为例，来分析一下压缩列表是如何节省内存空间的。
每个 entry 保存一个图片存储对象 ID（8 字节），此时，每个 entry 的 prev_len 只需要 1 个字节就行，因为每个 entry 的前一个 entry 长度都只有 8 字节，小于 254 字节。这样一来，一个图片的存储对象 ID 所占用的内存大小是 14 字节（1+4+1+8=14），实际分配 16 字节。
Redis 基于压缩列表实现了 List、Hash 和 Sorted Set 这样的集合类型，这样做的最大好处就是节省了 dictEntry 的开销。当你用 String 类型时，一个键值对就有一个 dictEntry，要用 32 字节空间。但采用集合类型时，一个 key 就对应一个集合的数据，能保存的数据多了很多，但也只用了一个 dictEntry，这样就节省了内存。
这个方案听起来很好，但还存在一个问题：在用集合类型保存键值对时，一个键对应了一个集合的数据，但是在我们的场景中，一个图片 ID 只对应一个图片的存储对象 ID，我们该怎么用集合类型呢？换句话说，在一个键对应一个值（也就是单值键值对）的情况下，我们该怎么用集合类型来保存这种单值键值对呢？
在保存单值的键值对时，可以采用基于 Hash 类型的二级编码方法。这里说的二级编码，就是把一个单值的数据拆分成两部分，前一部分作为 Hash 集合的 key，后一部分作为 Hash 集合的 value，这样一来，我们就可以把单值数据保存到 Hash 集合中了。
以图片 ID 1101000060 和图片存储对象 ID 3302000080 为例，我们可以把图片 ID 的前 7 位（1101000）作为 Hash 类型的键，把图片 ID 的最后 3 位（060）和图片存储对象 ID 分别作为 Hash 类型值中的 key 和 value。
按照这种设计方法，我在 Redis 中插入了一组图片 ID 及其存储对象 ID 的记录，并且用 info 命令查看了内存开销，我发现，增加一条记录后，内存占用只增加了 16 字节，如下所示：
127.0.0.1:6379> info memory# Memoryused_memory:1039120127.0.0.1:6379> hset 1101000 060 3302000080(integer) 1127.0.0.1:6379> info memory# Memoryused_memory:1039136在使用 String 类型时，每个记录需要消耗 64 字节，这种方式却只用了 16 字节，所使用的内存空间是原来的 1/4，满足了我们节省内存空间的需求。
不过，你可能也会有疑惑：“二级编码一定要把图片 ID 的前 7 位作为 Hash 类型的键，把最后 3 位作为 Hash 类型值中的 key 吗？”其实，二级编码方法中采用的 ID 长度是有讲究的。
Redis Hash 类型的两种底层实现结构，分别是压缩列表和哈希表。
那么，Hash 类型底层结构什么时候使用压缩列表，什么时候使用哈希表呢？其实，Hash 类型设置了用压缩列表保存数据时的两个阈值，一旦超过了阈值，Hash 类型就会用哈希表来保存数据了。
这两个阈值分别对应以下两个配置项：
hash-max-ziplist-entries：表示用压缩列表保存时哈希集合中的最大元素个数。
hash-max-ziplist-value：表示用压缩列表保存时哈希集合中单个元素的最大长度。
如果我们往 Hash 集合中写入的元素个数超过了 hash-max-ziplist-entries，或者写入的单个元素大小超过了 hash-max-ziplist-value，Redis 就会自动把 Hash 类型的实现结构由压缩列表转为哈希表。
一旦从压缩列表转为了哈希表，Hash 类型就会一直用哈希表进行保存，而不会再转回压缩列表了。在节省内存空间方面，哈希表就没有压缩列表那么高效了。
为了能充分使用压缩列表的精简内存布局，我们一般要控制保存在 Hash 集合中的元素个数。所以，在刚才的二级编码中，我们只用图片 ID 最后 3 位作为 Hash 集合的 key，也就保证了 Hash 集合的元素个数不超过 1000，同时，我们把 hash-max-ziplist-entries 设置为 1000，这样一来，Hash 集合就可以一直使用压缩列表来节省内存空间了。
在这篇文章中，我们将颠覆以往对 String 数据类型的传统认知。以前，String 被视为一种“万金油”，在各种场合都被广泛使用。然而，当存储的键值对数据本身占用的内存空间较小时，String 类型的元数据开销占据了主导地位。这些开销包括 RedisObject 结构、SDS 结构以及dictEntry 结构的内存消耗。
为了应对这种情况，我们可以采用压缩列表（ziplist）来存储数据。当然，当使用 Hash 这种集合类型来保存单一键值对数据时，我们需要将单一值数据分割成两部分，分别作为 Hash 集合的键和值。就像之前案例中使用了二级编码来表示图片 ID那样，我们鼓励你将这一方法应用到你的具体场景中。这不仅可以减少内存开销，还能提高 Redis 的性能。希望这个解决方案对你的应用有所帮助。
本文链接：http://www.28at.com/showinfo-26-14711-0.htmlRedis中万金油的String，为什么不好用了？
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