Redis源码解析：字典遍历

16-12-10 来源：[db:作者]

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Redis源码解析：字典遍历：之前两篇博文讲解了字典库的基础，本文将讲解其遍历操作。之所以将遍历操作独立成一文来讲，是因为其中的内容和之前的基本操作还是有区别的。特别是高级遍历一节介绍的内容，充满了精妙设计的算法智慧。

迭代器遍历

由于Redis字典库有rehash机制，而且是渐进式的，所以迭代器操作可能会通过其他特殊方式来实现，以保证能遍历到所有数据。但是阅读完源码发现，其实这个迭代器是个受限的迭代器，实现方法也很简单。我们先看下其基础结构：

typedef struct dictIterator {
    dict *d;
    long index;
    int table, safe;
    dictEntry *entry, *nextEntry;
    /* unsafe iterator fingerprint for misuse detection. */
    long long fingerprint;
} dictIterator;

成员变量d指向迭代器处理的字典。index是dictht中table数组的下标。table是dict结构中dictht数组的下标，即标识ht[0]还是ht[1]。safe字段用于标识该迭代器是否为一个安全的迭代器。如果是，则可以在迭代过程中使用dictDelete、dictFind等方法；如果不是，则只能使用dictNext遍历方法。entry和nextEntry分别指向当前的元素和下一个元素。fingerprint是字典的指纹，我们可以先看下指纹算法的实现：

long long dictFingerprint(dict *d) {
    long long integers[6], hash = 0;
    int j;

    integers[0] = (long) d->ht[0].table;
    integers[1] = d->ht[0].size;
    integers[2] = d->ht[0].used;
    integers[3] = (long) d->ht[1].table;
    integers[4] = d->ht[1].size;
    integers[5] = d->ht[1].used;

    /* We hash N integers by summing every successive integer with the integer
     * hashing of the previous sum. Basically:
     *
     * Result = hash(hash(hash(int1)+int2)+int3) ...
     *
     * This way the same set of integers in a different order will (likely) hash
     * to a different number. */
    for (j = 0; j < 6; j++) {
        hash += integers[j];
        /* For the hashing step we use Tomas Wang's 64 bit integer hash. */
        hash = (~hash) + (hash << 21); // hash = (hash << 21) - hash - 1;
        hash = hash ^ (hash >> 24);
        hash = (hash + (hash << 3)) + (hash << 8); // hash * 265
        hash = hash ^ (hash >> 14);
        hash = (hash + (hash << 2)) + (hash << 4); // hash * 21
        hash = hash ^ (hash >> 28);
        hash = hash + (hash << 31);
    }
    return hash;
}

可以见得，它使用了ht[0]和ht[1]的相关信息进行Hash运算，从而得到该字典的指纹。我们可以发现，如果dictht的table、size和used任意一个有变化，则指纹将被改变。这也就意味着，扩容、锁容、rehash、新增元素和删除元素都会改变指纹（除了修改元素内容）。
生成一个迭代器的方法很简单，该字典库提供了两种方式：

dictIterator *dictGetIterator(dict *d)
{
    dictIterator *iter = zmalloc(sizeof(*iter));

    iter->d = d;
    iter->table = 0;
    iter->index = -1;
    iter->safe = 0;
    iter->entry = NULL;
    iter->nextEntry = NULL;
    return iter;
}

dictIterator *dictGetSafeIterator(dict *d) {
    dictIterator *i = dictGetIterator(d);

    i->safe = 1;
    return i;
}

然后我们看下遍历迭代器的操作。如果是初次迭代，则要查看是否是安全迭代器，如果是安全迭代器则让其对应的字典对象的iterators自增；如果不是则记录当前字典的指纹

dictEntry *dictNext(dictIterator *iter)
{
    while (1) {
        if (iter->entry == NULL) {
            dictht *ht = &iter->d->ht[iter->table];
            if (iter->index == -1 && iter->table == 0) {
                if (iter->safe)
                    iter->d->iterators++;
                else
                    iter->fingerprint = dictFingerprint(iter->d);
            }

因为要遍历的时候，字典可以已经处于rehash的中间状态，所以还要遍历ht[1]中的元素

            iter->index++;
            if (iter->index >= (long) ht->size) {
                if (dictIsRehashing(iter->d) && iter->table == 0) {
                    iter->table++;
                    iter->index = 0;
                    ht = &iter->d->ht[1];
                } else {
                    break;
                }
            }
            iter->entry = ht->table[iter->index];
        } else {
            iter->entry = iter->nextEntry;
        }

往往使用迭代器获得元素后，会让字典删除这个元素，这个时候就无法通过迭代器获取下一个元素了，于是作者设计了nextEntry来记录当前对象的下一个对象指针

        if (iter->entry) {
            /* We need to save the 'next' here, the iterator user
             * may delete the entry we are returning. */
            iter->nextEntry = iter->entry->next;
            return iter->entry;
        }
    }
    return NULL;
}

遍历完成后，要调用下面方法释放迭代器。需要注意的是，如果是安全迭代器，就需要让其指向的字典的iterators自减以还原；如果不是，则需要检测前后字典的指纹是否一致

void dictReleaseIterator(dictIterator *iter)
{
    if (!(iter->index == -1 && iter->table == 0)) {
        if (iter->safe)
            iter->d->iterators--;
        else
            assert(iter->fingerprint == dictFingerprint(iter->d));
    }
    zfree(iter);
}

最后我们探讨下什么是安全迭代器。源码中我们看到如果safe为1，则让字典iterators自增，这样dict字典库中的操作就不会触发rehash渐进，从而在一定程度上（消除rehash影响，但是无法阻止用户删除元素）保证了字典结构的稳定。如果不是安全迭代器，则只能使用dictNext方法遍历元素，而像获取元素值的dictFetchValue方法都不能调用。因为dictFetchValue底层会调用_dictRehashStep让字典结构发生改变。

static void _dictRehashStep(dict *d) {
    if (d->iterators == 0) dictRehash(d,1);
}

但是作者在源码说明中说安全迭代器在迭代过程中可以使用dictAdd方法，但是我觉得这个说法是错误的。因为dictAdd方法插入的元素可能在当前遍历的对象之前，这样就在之后的遍历中无法遍历到；也可能在当前遍历的对象之后，这样就在之后的遍历中可以遍历到。这样一种动作，两种可能结果的方式肯定是有问题的。我查了下该库在Redis中的应用，遍历操作不是为了获取值就是为了删除值，而没有增加元素的操作，如

void clusterBlacklistCleanup(void) {
    dictIterator *di;
    dictEntry *de;

    di = dictGetSafeIterator(server.cluster->nodes_black_list);
    while((de = dictNext(di)) != NULL) {
        int64_t expire = dictGetUnsignedIntegerVal(de);

        if (expire < server.unixtime)
            dictDelete(server.cluster->nodes_black_list,dictGetKey(de));
    }
    dictReleaseIterator(di);
}

高级遍历

高级遍历允许ht[0]和ht[1]之间数据在迁移过程中进行遍历，通过相应的算法可以保证所有的元素都可以被遍历到。我们先看下功能的实现：

unsigned long dictScan(dict *d,
                       unsigned long v,
                       dictScanFunction *fn,
                       void *privdata)

参数d是字典的指针；v是迭代器，这个迭代器初始值为0，每次调用dictScan都会返回一个新的迭代器。于是下次调用这个函数时要传入新的迭代器的值。fn是个函数指针，每遍历到一个元素时，都是用该函数对元素进行操作。

typedef void (dictScanFunction)(void *privdata, const dictEntry *de);

Redis中这个方法的调用样例是：

        do {
            cursor = dictScan(ht, cursor, scanCallback, privdata);
        } while (cursor &&
              maxiterations-- &&
              listLength(keys) < (unsigned long)count);

对于不在rehash状态的字典，则只要对ht[0]中迭代器指向的链表进行遍历就行了

    dictht *t0, *t1;
    const dictEntry *de;
    unsigned long m0, m1;

    if (dictSize(d) == 0) return 0;

    if (!dictIsRehashing(d)) {
        t0 = &(d->ht[0]);
        m0 = t0->sizemask;

        /* Emit entries at cursor */
        de = t0->table[v & m0];
        while (de) {
            fn(privdata, de);
            de = de->next;
        }

如果在rehash状态，就要遍历ht[0]和ht[1]。遍历前要确定哪个dictht.table长度短（假定其长度为len=8），先对短的中该迭代器（假定为iter=4）对应的链进行遍历，然后遍历大的。然而不仅要遍历大的dictht中迭代器（iter=4）对应的链，还要遍历比iter大len的迭代器（4+8=12）对应的链表。

    } else {
        t0 = &d->ht[0];
        t1 = &d->ht[1];

        /* Make sure t0 is the smaller and t1 is the bigger table */
        if (t0->size > t1->size) {
            t0 = &d->ht[1];
            t1 = &d->ht[0];
        }

        m0 = t0->sizemask;
        m1 = t1->sizemask;

        /* Emit entries at cursor */
        de = t0->table[v & m0];
        while (de) {
            fn(privdata, de);
            de = de->next;
        }

        /* Iterate over indices in larger table that are the expansion
         * of the index pointed to by the cursor in the smaller table */
        do {
            /* Emit entries at cursor */
            de = t1->table[v & m1];
            while (de) {
                fn(privdata, de);
                de = de->next;
            }

            /* Increment bits not covered by the smaller mask */
            v = (((v | m0) + 1) & ~m0) | (v & m0);

            /* Continue while bits covered by mask difference is non-zero */
        } while (v & (m0 ^ m1));
    }

最后要重新计算下次使用的迭代器并返回

    /* Set unmasked bits so incrementing the reversed cursor
     * operates on the masked bits of the smaller table */
    v |= ~m0;

    /* Increment the reverse cursor */
    v = rev(v);
    v++;
    v = rev(v);

    return v;
}

从上面的设计来看，调用dictScan时不能有多线程操作该字典，否则会出现遗漏遍历的情况。但是在每次调用dictScan之间可以对字典进行操作。其实这个遍历中最核心的是迭代器v的计算方法，我们只要让v从0开始，执行“或操作”最短ht.table（~m0）大小、二进制翻转、加1、再二进制翻转就可以实现0到~m0的遍历。我们看个例子：

我一直想不出这套算法为什么能满足这样的特点，还是需要数学大神解释一下。同时也可见这种算法的作者Pieter Noordhuis数学有一定功底。关键这样的算法不仅可以完成遍历，还可以在数组大小动态变化时保证元素被全部遍历到。我把代码提炼出来，模拟了长度为8的数组向长度为16的数组扩容，和长度为16的数组向长度为8的数组缩容的过程。为了让问题简单化，我们先不考虑两个数组的问题，只认为数组在一瞬间被扩容和缩容。我们先看下扩容前的遍历过程

假如第8次迭代后，数组瞬间扩容，这个时候遍历过程是

此时多了一次对下标为15的遍历，可以想象这次遍历应该会重复下标为15%8=7遍历（即第8次）的元素。所以dictScan具有潜在对一个元素遍历多次的问题。我们再看第7次迭代时发生瞬间扩容的情况

此时数组下标为11的遍历（即第8次遍历）会部分重复下标为3的遍历（即第7次遍历）元素。而之后的遍历就不会重复了。我们再看下数组的缩容。为缩容前的状态是

如果第16次遍历时突然缩容，则遍历过程是

可见第16次遍历的是新数组下标为7的元素，和第15次遍历老数组下标为7的元素不同，本次遍历的结果包含前者（因为它还包含之前下标为15的元素）。所以也存在元素重复遍历的问题。我们看下第15次遍历时突然缩容的遍历过程

因为缩容到8，所以最后一次遍历下标7的情况，既包括之前老数组下标为7的元素，也包含老数组下标为15的元素。所以本次遍历不会产生重复遍历元素的问题。我们再看下第14次遍历突然缩容的遍历过程

第14次本来是要遍历下标为11的元素。由于发生缩容，就遍历新的数组的下标为3的元素。所以第14的遍历包含第13次的遍历元素。一个数组如此，像dict结构中有两个dictht的情况，则稍微复杂点。我们通过下图可以发现，不同时机ht[0]扩容或者缩容，都可以保证元素被全遍历

上面测试的代码是：

#define TWO_FOUR_MASK 15
#define TWO_THREE_MASK 7

static unsigned long rev(unsigned long v) {
    unsigned long s = 8 * sizeof(v);
    unsigned long mask = ~0;
    while ((s >>= 1) > 0) {
        mask ^= (mask <> s) & mask) | ((v << s) & ~mask);
    }
    return v;
}

unsigned long loop_single_expand_shrinks(unsigned long v, int change, int expand) {
    unsigned long m0 = 0;

    if (expand) {
        if (change) {
            m0 = TWO_FOUR_MASK;
        }
        else {
            m0 = TWO_THREE_MASK;
        }
    }
    else {
        if (change) {
            m0 = TWO_THREE_MASK;
        }
        else {
            m0 = TWO_FOUR_MASK;
        }
    }

    unsigned long t0idx = t0idx = v & m0; 
    printf(" t0Index: %lu ", t0idx);

    v |= ~m0;
    v = rev(v);
    v++;
    v = rev(v);
    return v;
}

unsigned long loop(unsigned long v) {
    unsigned long m0 = TWO_THREE_MASK;
    unsigned long m1 = TWO_FOUR_MASK;

    unsigned long t0idx = v & m0;
    printf(" t0Index: %lu ", t0idx);

    printf(" t1Index: ");
    do {
        unsigned long t1idx = v & m1;
        printf("%lu ", t1idx);
        v = (((v | m0) + 1) & ~ m0) | (v & m0);
    } while (v & (m0 ^ m1));

    v |= ~m0;
    v = rev(v);
    v++;
    v = rev(v);
    return v;
}

unsigned long loop_expand_shrinks(unsigned long v, int change, int expand) {
    unsigned long m0 = 0;
    unsigned long m1 = 0;
    if (!change) {
        m0 = TWO_THREE_MASK;
        m1 = TWO_FOUR_MASK;

        unsigned long t0idx = v & m0;
        if (expand) {
            printf(" t0Index: %lu ", t0idx);
            printf(" t1Index: ");
        }
        else {
            printf(" t1Index: %lu ", t0idx);
            printf(" t0Index: ");
        }
        
        do {
            unsigned long t1idx = v & m1;
            printf("%lu ", t1idx);
            v = (((v | m0) + 1) & ~ m0) | (v & m0);
        } while (v & (m0 ^ m1));
    }
    else {
        if (expand) {
            m0 = TWO_FOUR_MASK;
        }
        else {
            m0 = TWO_THREE_MASK;
        }

        unsigned long t0idx = v & m0;
        printf(" t0Index: %lu ", t0idx);
    }

    v |= ~m0;
    v = rev(v);
    v++;
    v = rev(v);
    return v;
}

void print_binary(unsigned long v) {
    char s[128] = {0};
    _itoa_s(v, s, sizeof(s), 2);
    printf("0x%032s", s);
}

void check_loop_normal() {
    unsigned long v = 0;
    do 
    {
        print_binary(v);
        v = loop(v);
        printf("\n");
    } while (v != 0);
}

void check_loop_expand_shrinks(int expand) {
    int loop_count = 9;

    for (int n  = 0; n < loop_count; n++) {
        unsigned long v = 0;
        int change = 0;
        int call_count = 0;
        do 
        {
            if (call_count == n) {
                change = 1;
            }
            print_binary(v);
            v = loop_expand_shrinks(v, change, expand);
            call_count++;
            printf("\n");
        } while (v != 0);
        printf("\n");
    }
}

void check_loop_single_expand_shrinks(int expand) {
    int loop_count = 17;

    for (int n  = 0; n < loop_count; n++) {
        unsigned long v = 0;
        int change = 0;
        int call_count = 0;
        do 
        {
            if (call_count == n) {
                change = 1;
            }
            print_binary(v);
            v = loop_single_expand_shrinks(v, change, expand);
            call_count++;
            printf("\n");
        } while (v != 0);
        printf("\n");
    }
}

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