[数据结构与算法]redis7.0源码阅读（三）：哈希表扩容、缩容以及rehash

一、哈希冲突

当哈希值相同的时候会发生哈希冲突，可以通过拉链法，将将他们通过链表连接起来，链式哈希会产生一个问题，随着哈希表数据越来越多，哈希冲突越来越多，单个哈希桶链表上数据越来越多，查找时间复杂度退化到 O(n)，查找耗时增加，效率降低

可以通过负载因子(used/size)来表述哈希冲突的激烈程度,负载因子越大，冲突越激烈。
size表示哈希表的大小，也就是哈希桶的个数
used表示有多少个 键值对实体(dictEntry)，used越多，哈希冲突的情况越多

因此在必要时对哈希表进行扩容，将新添加的键值对，放入新的哈希桶，从而减少哈希冲突的情况

二、哈希表扩容

1.定位到相应的代码部分

首先要，找到对应代码,在setCommand中主要是设置string，在这里面可以找到。
_dictKeyIndex是为了获取要添加dict的索引位置，会出现扩容的情况

里面有_dictExpandIfNeeded这个函数，进行扩容判断和扩容

2.扩容条件

_dictExpandIfNeeded中判断扩容可分为3个情况

情况1：
在rehash的时候，是不能扩容的

情况2：
如果第一张哈希表的大小是0，就根据初始值DICT_HT_INITIAL_SIZE（默认为4）给它扩容

情况3：
条件1：负载因子大于1(d->ht_used[0] >= DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0]))
条件2：允许扩容dict_can_resize或者负载因子大于指定阈值dict_force_resize_ratio（默认为5）
当两条件都满足，才会进行扩容

static int _dictExpandIfNeeded(dict *d)
{
    /* Incremental rehashing already in progress. Return. */
    if (dictIsRehashing(d)) return DICT_OK;

    /* If the hash table is empty expand it to the initial size. */
    if (DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0]) == 0) return dictExpand(d, DICT_HT_INITIAL_SIZE);

    /* If we reached the 1:1 ratio, and we are allowed to resize the hash
     * table (global setting) or we should avoid it but the ratio between
     * elements/buckets is over the "safe" threshold, we resize doubling
     * the number of buckets. */
    if (d->ht_used[0] >= DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0]) &&
        (dict_can_resize ||
         d->ht_used[0]/ DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0]) > dict_force_resize_ratio) &&
        dictTypeExpandAllowed(d))
    {
        return dictExpand(d, d->ht_used[0] + 1);
    }
    return DICT_OK;
}

上述条件2中可以看到dict_can_resize，那什么时候会修改dict_can_resize呢？

void dictEnableResize(void) {
    dict_can_resize = 1;
}

void dictDisableResize(void) {
    dict_can_resize = 0;
}

如果有子进程的情况下，dict_can_resize = 0
没有子进程的情况下，dict_can_resize = 1

/* This function is called once a background process of some kind terminates,
 * as we want to avoid resizing the hash tables when there is a child in order
 * to play well with copy-on-write (otherwise when a resize happens lots of
 * memory pages are copied). The goal of this function is to update the ability
 * for dict.c to resize the hash tables accordingly to the fact we have an
 * active fork child running. */
void updateDictResizePolicy(void) {
    if (!hasActiveChildProcess())
        dictEnableResize();
    else
        dictDisableResize();
}

为什么会fork子进程？redis有4种持久化方案，其中3种都是通过fork来进行持久化。

写时复制（copy on write）：fork持久化

父进程由于执行命令对页B1进行修改，指向内存中的原页B。子进程会指向页B副本（对原页B进行拷贝），来保证持久化。

3.扩容大小

通过<<左移位运算保证是2的n次幂，扩容到大于dictEntry的数量used为止。
注意下面的size并不是哈希桶的数量，而是d->ht_used[0] + 1，也就是dict的数量

比如：哈希表（数组）长度为4，但是里面有9个哈希键值对（dictEntry），那么应扩容到16（比9大的最小2的n次幂）

static signed char _dictNextExp(unsigned long size)
{
    unsigned char e = DICT_HT_INITIAL_EXP;

    if (size >= LONG_MAX) return (8*sizeof(long)-1);
    while(1) {
        if (((unsigned long)1<<e) >= size)
            return e;
        e++;
    }
}

三、哈希表缩容(resize)

在tryResizeHashTables中通过htNeedsResize判断受否需要缩容，需要的话就重新调整大小（缩容）dictResize

void tryResizeHashTables(int dbid) {
    if (htNeedsResize(server.db[dbid].dict))
        dictResize(server.db[dbid].dict);
    if (htNeedsResize(server.db[dbid].expires))
        dictResize(server.db[dbid].expires);
}

1.缩容的条件 htNeedsResize

负载因子（used/size）小于0.1就会进行缩容，默认HASHTABLE_MIN_FILL=10,把100移过来就是0.1

比如哈希表size大小是32，那么实际used数量为3的时候，3/32<0.1那么会进行缩容

int htNeedsResize(dict *dict) {
    long long size, used;

    size = dictSlots(dict);
    used = dictSize(dict);
    return (size > DICT_HT_INITIAL_SIZE &&
            (used*100/size < HASHTABLE_MIN_FILL));
}

2.如何缩容 dictResize

int dictResize(dict *d)
{
    unsigned long minimal;

    if (!dict_can_resize || dictIsRehashing(d)) return DICT_ERR;
    minimal = d->ht_used[0];
    if (minimal < DICT_HT_INITIAL_SIZE)
        minimal = DICT_HT_INITIAL_SIZE;
    return dictExpand(d, minimal);
}

3.什么时候需要缩容呢？ databasesCron

Cron表示定时检查的意思
!hasActiveChildProcess()在没有子进程的时候，会尝试缩容(resize)

void databasesCron(void) {
    /* Expire keys by random sampling. Not required for slaves
     * as master will synthesize DELs for us. */
    if (server.active_expire_enabled) {
        if (iAmMaster()) {
            activeExpireCycle(ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW);
        } else {
            expireSlaveKeys();
        }
    }

    /* Defrag keys gradually. */
    activeDefragCycle();

    /* Perform hash tables rehashing if needed, but only if there are no
     * other processes saving the DB on disk. Otherwise rehashing is bad
     * as will cause a lot of copy-on-write of memory pages. */
    if (!hasActiveChildProcess()) {//没有子进程的时候才会进行缩容
        /* We use global counters so if we stop the computation at a given
         * DB we'll be able to start from the successive in the next
         * cron loop iteration. */
        static unsigned int resize_db = 0;
        static unsigned int rehash_db = 0;
        int dbs_per_call = CRON_DBS_PER_CALL;
        int j;

        /* Don't test more DBs than we have. */
        if (dbs_per_call > server.dbnum) dbs_per_call = server.dbnum;

        /* Resize */
        for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
            tryResizeHashTables(resize_db % server.dbnum);
            resize_db++;
        }

        /* Rehash */
        if (server.activerehashing) {
            for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) {
                int work_done = incrementallyRehash(rehash_db);
                if (work_done) {
                    /* If the function did some work, stop here, we'll do
                     * more at the next cron loop. */
                    break;
                } else {
                    /* If this db didn't need rehash, we'll try the next one. */
                    rehash_db++;
                    rehash_db %= server.dbnum;
                }
            }
        }
    }
}

四、rehash

1.为什么需要rehash？

链式哈希会产生一个问题，随着哈希表数据越来越多，哈希冲突越来越多，单个哈希桶链表上数据越来越多，查找时间复杂度退化到 O(n)。
因此redis 会对哈希表做 rehash 操作。rehash 也就是增加现有的哈希桶数量，让逐渐增多的 entry 元素能在更多的桶之间分散保存，减少单个桶中的元素数量，从而减少单个桶中的冲突

2.dictRehash

n就是移动的哈希桶是数量(从哈希表1移动到哈希表2)，也就是哈希表（数组）移动槽位

int dictRehash(dict *d, int n) {
    int empty_visits = n*10; /* Max number of empty buckets to visit. */ //最多访问n*10个空桶，否则会阻塞过长时间
    if (!dictIsRehashing(d)) return 0;

    while(n-- && d->ht_used[0] != 0) {
        dictEntry *de, *nextde;

        /* Note that rehashidx can't overflow as we are sure there are more
         * elements because ht[0].used != 0 */
        assert(DICTHT_SIZE(d->ht_size_exp[0]) > (unsigned long)d->rehashidx);
        while(d->ht_table[0][d->rehashidx] == NULL) {
            d->rehashidx++;
            if (--empty_visits == 0) return 1;
        }
        de = d->ht_table[0][d->rehashidx];//要移动的哈希桶
        /* Move all the keys in this bucket from the old to the new hash HT */
        while(de) {//遍历ht0中哈希桶中每个k-v对，都进行重新哈希
            uint64_t h;

            nextde = de->next;
            /* Get the index in the new hash table */
            h = dictHashKey(d, de->key) & DICTHT_SIZE_MASK(d->ht_size_exp[1]);
            de->next = d->ht_table[1][h];//如果一个哈希桶有多个元素就将dict接入哈希桶的头部
            d->ht_table[1][h] = de;
            d->ht_used[0]--;
            d->ht_used[1]++;
            de = nextde;
        }
        d->ht_table[0][d->rehashidx] = NULL;//删除哈希桶
        d->rehashidx++;
    }

    /* Check if we already rehashed the whole table... */
    if (d->ht_used[0] == 0) {
        zfree(d->ht_table[0]);
        /* Copy the new ht onto the old one */
        d->ht_table[0] = d->ht_table[1];
        d->ht_used[0] = d->ht_used[1];
        d->ht_size_exp[0] = d->ht_size_exp[1];
        _dictReset(d, 1);
        d->rehashidx = -1;
        return 0;
    }

    /* More to rehash... */
    return 1;
}

设置了empty_visits，最多访问n*10个空桶，否则会阻塞过长时间
移动过来的dictEntry都是往哈希桶的链表头部插入的

3.渐进式rehash

如果服务器一口气，将第一个hashtable移动到第二个hashtable上，就会出现等待响应的时间过长，因此可以将一个大的任务拆分成一个个小的任务，一步一步挪，对一个哈希桶（同一个哈希桶中多个元素用一个链表保存）进行挪到第二个哈希table去，也就是每次只挪哈希表中的一个槽位。

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

什么时候会进行渐进式rehash呢？
当有很多命令的时候，比如增删改查的时候，需要渐进式rehash，这样响应时间就比较段。但是当空闲时间的时候，就可以进行大步大步挪了（hashtable1移动到hashtable2上）。

4.定时任务触发rehash

当定时任务检测到服务器空闲的时候，就可以大步移动hashtable1到hashtable2

dictRehashMilliseconds(dict *d, int ms)就是rehash移动指定毫秒时间，dictRehash(d,100)可以看到，一次挪100个槽位（哈希桶）
因此在指定毫秒时间内，每次挪动100个哈希桶，直到超时了为止。

/* Rehash in ms+"delta" milliseconds. The value of "delta" is larger 
 * than 0, and is smaller than 1 in most cases. The exact upper bound 
 * depends on the running time of dictRehash(d,100).*/
int dictRehashMilliseconds(dict *d, int ms) {
    if (d->pauserehash > 0) return 0;

    long long start = timeInMilliseconds();
    int rehashes = 0;

    while(dictRehash(d,100)) {
        rehashes += 100;
        if (timeInMilliseconds()-start > ms) break;
    }
    return rehashes;
}

5.rehash未完成的时候如何去查找数据呢

首先在第一张哈希表查找，如果没有，然后再去第二章哈希表查找

6.rehash结束后要做的事情

当哈希表1已经搬空了d->ht_used[0] == 0，说明rehash已经结束了
这一步主要是将哈希表1指向哈希表2，然后将哈希表2指向的清空（也就是说把rehash后的结果全部从哈希表2还给哈希表1了）

/* Check if we already rehashed the whole table... */
    if (d->ht_used[0] == 0) {
        zfree(d->ht_table[0]);
        /* Copy the new ht onto the old one */
        d->ht_table[0] = d->ht_table[1];
        d->ht_used[0] = d->ht_used[1];
        d->ht_size_exp[0] = d->ht_size_exp[1];
        _dictReset(d, 1);
        d->rehashidx = -1;
        return 0;
    }

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