CN107291832A - 一种基于列表存储结构的数据存储方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于列表存储结构的数据存储方法。该方法先创建列表存储结构，该列表存储结构包括全局属性与节点数据，其中全局属性记录列表存储结构占用的内存空间字节数、节点个数、节点始端与列表末端；节点数据记录当前节点编码方式、存储具体数据内容、当前节点所占内存空间字节数；创建列表存储结构时首先初始化全局属性zlbytes、zllen、zlbegin、zlend；本发明在优化分布式内存数据库Redis Cluster底层抽象数据结构压缩列表基础上设计该存储结构，能节省内存空间，可作为列表键与哈希键的底层实现方式且不存在连锁更新问题。
Description
技术领域
本发明涉及不同类型数据存储方式，具体涉及一种内存数据库不同类型数据的存储技术。
背景技术
随着互联网技术在社交网络平台和金融交易领域的快速发展，网络用户数量急剧上升，超高并发数据读写访问日益明显，许多互联网公司开始基于内存数据库Redis等搭建分布式缓存平台。DB‐Engines.com月度数据显示，Redis已成为当前使用范围最为广泛的Key‐Value模型数据库，国内采用Redis的公司主要包括腾讯、新浪、搜狐等，国外使用Redis的公司主要包括Github、Craigslist、Piniterest、Twitter等。
Redis将用户全部数据存储在内存空间，极大提升数据读写操作的性能效率，支持内存数据持久化、主从备份，通过自动分片和数据冗余实现故障转移、自动容灾等功能，包含列表、字符串、集合、哈希、有序集合五种Redis对象。当用户在Redis数据库中创建一个键值对时，至少会创建两个对象：一个对象为键值对的键，称之为键对象；另外一个对象为键值对的值，称之为值对象。
压缩列表作为列表键与哈希键的底层数据结构，由一系列特殊编码的连续内存块组成，是Redis为节约内存而设计，可同时包含任意多个节点，每个节点保存一个字节数组或一个整数值。但是Redis设计实现的压缩列表不能存储无符号整数与浮点数，且每个节点的previous_entry_length域所占内存根据前驱节点大小决定为1B(字节)或者5B，当压缩列表删除一个节点或添加一个节点时，后继节点的previous_entry_length域大小可能会发生改变，若存在N个连续的、长度介于250B到253B之间的节点，则会引发时间复杂度O(N2)的连锁更新。
发明内容
本发明克服现有技术不足，提供了一种新型列表存储结构，应用于Redis Cluster分布式内存数据库实现不同类型数据存储，增加浮点数与无符号整数类型数据存储，避免连锁更新，减少内存空间占用。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种基于列表存储结构的数据存储方法：创建列表存储结构，该列表存储结构包括全局属性与节点数据，其中全局属性记录列表存储结构占用的内存空间字节数、节点个数、节点始端与列表末端；节点数据记录当前节点编码方式、存储具体数据内容、当前节点所占内存空间字节数；
创建列表存储结构时首先初始化全局属性zlbytes、zllen、zlbegin、zlend，其中zlbytes使用8B字节表示列表存储结构占用的内存空间字节数；zllen使用4B表示列表存储结构的节点个数；zlbegin使用1B标记列表节点的始端，为固定特殊值0xFF；zlend使用1B标记列表的末端，为固定特殊值0xFF；
然后构建节点数据；所述节点数据保存在列表存储结构属性zlbegin与zlend间，由encoding、contents、entry_length三部分内容组成，其中encoding记录当前节点编码方式，contents存储具体数据内容，entry_length记录当前节点占据的内存空间字节数；若存储的数据为整数值或浮点数，则节点数据使用头插法插入列表节点首节点前，即全局属性zlbegin之后；若保存数据为字符串，则节点数据使用尾插法插入列表节点尾节点后，即全局属性zlend之前；
所述列表存储结构的数据访问步骤如下：
a)若访问的数据为整数值或浮点数，则执行步骤b，否则执行步骤e；
b)跳过列表存储结构前13字节，读取第一个节点的encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤c；
c)若节点数据为访问数据，或者获取的数据为字符串或特殊值0xFF时执行步骤h；否则执行步骤d；
d)跳过本节点读取后继节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤c；
e)根据全局属性zllen，跳过zllen‐2个字节，解析末尾节点entry_length域，根据解析的值向前跳过指定字节数读取末尾节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤f；
f)若节点数据为访问数据，或者获取的数据为整数值、浮点数或特殊值0xFF时执行步骤h；否则执行步骤g；
g)解析前驱节点entry_length域，根据其值向前跳过指定字节数读取前驱节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤f；
列表存储结构数据访问结束。
为进一步实现本发明目的，优选地，构建节点数据encoding域和contents域包括如下步骤：
1)若存储的数据为字符串且长度小于等于26‐1，则encoding域为00xxxxxx，其中xxxxxx记录字符串长度，contents存储具体字符串值；若长度小于等于214‐1，则encoding域为01xxxxxx aaaaaaaa，其中xxxxxx aaaaaaaa记录字符串长度，contents存储具体字符串值；若长度小于等于230‐1，则encoding域为10xxxxxx aaaaaaaa bbbbbbbb dddddddd，其中xxxxxx aaaaaaaa bbbbbbbb dddddddd记录字符串长度，contents存储具体字符串值；
2)若存储的数据为整数值且类型为uint8_t，则encoding域为11000001，contents存储8位无符号整数；若类型为uint16_t，则encoding域为11000010，contents存储16位无符号整数；若类型为uint32_t，则encoding域为11000100，contents存储32位无符号整数；若类型为uint64_t，则encoding域为11001000，contents存储64位无符号整数；
3)若存储的数据为整数值且类型为int8_t，则encoding域为11100001，contents存储8位有符号整数；若类型为int16_t，则encoding域为11100010，contents存储16位有符号整数；若类型为int32_t，则encoding域为11100100，contents存储32位有符号整数；若类型为int64_t，则encoding为域11101000，contents存储64位有符号整数；
4)若存储的数据为浮点数且可用单精度浮点数格式保存，则encoding域为11110001，contents域占32位，高一位为数符，接下来8位为阶码，移码表示，末23位为尾数；若需使用双精度浮点数格式保存，则encoding域为11110010，contents域占64位，高一位为数符，接下来11位为阶码，移码表示，末52位为尾数；若需使用临时浮点数格式保存，则encoding域为11110100，contents域占80位，高一位为数符，接下来15位为阶码，移码表示，末64位为尾数。当节点数据存储浮点数时，contents的尾数位总是隐藏高一位；
所述x、a、b、d分别表示不同的字符。
构建节点数据entry_length域：若当前节点占据内存空间字节数小于254，则entry_length域占1B，表示节点长度；若当前节点占据内存空间字节数大于等于254，则entry_length域占5B，末字节为固定值0xFE，标记前4B表示节点长度。
优选地，所述zlbytes使用8B字节表示列表存储结构占用的内存空间字节数时的初始值为14。
优选地，所述zllen使用4B表示列表存储结构的节点个数时的初始值为0。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1)本发明在优化分布式内存数据库Redis Cluster底层抽象数据结构压缩列表基础上设计该存储结构，能节省内存空间，可作为列表键与哈希键的底层实现方式且不存在连锁更新问题。
2)本发明列表存储结构为一种顺序型数据结构，由一系列特殊编码的连续内存数据块组成，能包含任意多个不同类型节点，通过节点encoding域的不同解析，其contents域可以存储一个字节数组、整数值或者浮点数，使用zlbytes、zllen、zlbegin、zlend、entry_length等字段实现基本属性访问及数据顺序、逆序遍历。
3)本发明一种列表存储结构适用于内存数据库实现不同类型数据的存储。
附图说明
图1本发明列表存储结构示意图；
图2列表数据读取过程图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于此。
如图1所示，一种适用于内存数据库的列表存储结构，所述列表存储结构包括全局属性与节点数据两部分，全局属性记录列表存储结构占用的内存空间字节数、节点个数、节点始端与列表末端，分别使用zlbytes、zllen、zlbegin、zlend表示；节点数据记录当前节点编码方式、存储具体数据内容、当前节点占据的内存空间字节数，分别使用encoding、contents、entry_length表示。
实施例：适用于内存数据库的列表存储结构设计
依据发明方法，该列表存储结构的全局属性构建步骤如下：
1)构建全局属性zlbytes，内存大小8B，表示列表存储结构占用的内存空间字节数，初始值为14；
2)构建全局属性zllen，内存大小4B，表示列表存储结构的节点个数，初始值为0；
3)构建全局属性zlbegin，内存大小1B，标记列表节点的始端，为特殊值0xFF；
4)构建全局属性zlend，内存大小1B，标记列表的末端，为特殊值0xFF。
所述列表存储结构的节点数据构建步骤如下：
1)节点数据encoding域、contents域构建
a.若存储的数据为字符串，则encoding域、contents域构建如下表所示，其中xxxxxx、xxxxxx aaaaaaaa、xxxxxx aaaaaaaa bbbbbbbb cccccccc记录保存的字符串所占内存空间字节数；contents存储具体字符串值。
b.若存储的数据为无符号整数值，则encoding域、contents域构建如下表所示，其中contents分别存储8位无符号整数、16位无符号整数、32位无符号整数、64位无符号整数。
c.若存储的数据为有符号整数值，则encoding域、contents域构建如下表所示，其中contents分别存储8位有符号整数、16位有符号整数、32位有符号整数、64位有符号整数。
d.若存储的数据为浮点数，则encoding域、contents域构建如下表所示，当存储单精度浮点数时，contents占32位，高一位为数符，接下来8位为阶码，移码表示，末23位为尾数；当存储双精度浮点数时，contents占64位，高一位为数符，接下来11位为阶码，移码表示，末52位为尾数；当存储临时浮点数时，contents占80位，高一位为数符，接下来15位为阶码，移码表示，末64位为尾数；contents的尾数位总是隐藏高一位。
2)节点数据entry_length域构建
若当前节点占据内存空间字节数小于254，则entry_length域占1B，表示当前节点长度；若当前节点占据内存空间字节数大于等于254，则entry_length域占5B，末字节为固定值0xFE，标记前4B表示当前节点长度
所述列表存储结构的数据访问过程如图2示。
a、若访问的数据为整数值或浮点数，则执行步骤b，否则执行步骤e；
b、跳过列表存储结构前13字节，读取第一个节点的encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤c；
c、若节点数据为访问数据，或者获取的数据为字符串或特殊值0xFF时执行步骤h；否则执行步骤d；
d、跳过本节点读取后继节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤c；
e、根据全局属性zllen，跳过zllen‐2个字节，解析末尾节点entry_length域，根据解析的值向前跳过指定字节数读取末尾节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤f；
f、若节点数据为访问数据，或者获取的数据为整数值、浮点数或特殊值0xFF时执行步骤h；否则执行步骤g；
g、解析前驱节点entry_length域，根据其值向前跳过指定字节数读取前驱节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤f；
列表存储结构数据访问结束。
本发明在优化分布式内存数据库Redis Cluster底层抽象数据结构压缩列表基础上设计该存储结构，能节省内存空间，可作为列表键与哈希键的底层实现方式且不存在连锁更新问题。本发明列表存储结构为一种顺序型数据结构，由一系列特殊编码的连续内存数据块组成，能包含任意多个不同类型节点，通过节点encoding域的不同解析，其contents域可以存储一个字节数组、整数值或者浮点数，使用zlbytes、zllen、zlbegin、zlend、entry_length等字段实现基本属性访问及数据顺序、逆序遍历。本发明一种列表存储结构适用于内存数据库实现不同类型数据的存储。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于列表存储结构的数据存储方法，其特征在于：创建列表存储结构，该列表存储结构包括全局属性与节点数据，其中全局属性记录列表存储结构占用的内存空间字节数、节点个数、节点始端与列表末端；节点数据记录当前节点编码方式、存储具体数据内容、当前节点所占内存空间字节数；
创建列表存储结构时首先初始化全局属性zlbytes、zllen、zlbegin、zlend，其中zlbytes使用8B字节表示列表存储结构占用的内存空间字节数；zllen使用4B表示列表存储结构的节点个数；zlbegin使用1B标记列表节点的始端，为固定特殊值0xFF；zlend使用1B标记列表的末端，为固定特殊值0xFF；
然后构建节点数据；所述节点数据保存在列表存储结构属性zlbegin与zlend间，由encoding、contents、entry_length三部分内容组成，其中encoding记录当前节点编码方式，contents存储具体数据内容，entry_length记录当前节点占据的内存空间字节数；若存储的数据为整数值或浮点数，则节点数据使用头插法插入列表节点首节点前，即全局属性zlbegin之后；若保存数据为字符串，则节点数据使用尾插法插入列表节点尾节点后，即全局属性zlend之前；
所述列表存储结构的数据访问步骤如下：
a)若访问的数据为整数值或浮点数，则执行步骤b，否则执行步骤e；
b)跳过列表存储结构前13字节，读取第一个节点的encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤c；
c)若节点数据为访问数据，或者获取的数据为字符串或特殊值0xFF时执行步骤h；否则执行步骤d；
d)跳过本节点读取后继节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤c；
e)根据全局属性zllen，跳过zllen‐2个字节，解析末尾节点entry_length域，根据解析的值向前跳过指定字节数读取末尾节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤f；
f)若节点数据为访问数据，或者获取的数据为整数值、浮点数或特殊值0xFF时执行步骤h；否则执行步骤g；
g)解析前驱节点entry_length域，根据其值向前跳过指定字节数读取前驱节点encoding域，根据其值对contents域进行解析，获取节点存储的数据，执行步骤f；
列表存储结构数据访问结束。
2.根据权利要求1所述的基于列表存储结构的数据存储方法，其特征在于：构建节点数据encoding域和contents域包括如下步骤：
1)若存储的数据为字符串且长度小于等于26‐1，则encoding域为00xxxxxx，其中xxxxxx记录字符串长度，contents存储具体字符串值；若长度小于等于214‐1，则encoding域为01xxxxxx aaaaaaaa，其中xxxxxx aaaaaaaa记录字符串长度，contents存储具体字符串值；若长度小于等于230‐1，则encoding域为10xxxxxx aaaaaaaa bbbbbbbb dddddddd，其中xxxxxx aaaaaaaa bbbbbbbb dddddddd记录字符串长度，contents存储具体字符串值；
2)若存储的数据为整数值且类型为uint8_t，则encoding域为11000001，contents存储8位无符号整数；若类型为uint16_t，则encoding域为11000010，contents存储16位无符号整数；若类型为uint32_t，则encoding域为11000100，contents存储32位无符号整数；若类型为uint64_t，则encoding域为11001000，contents存储64位无符号整数；
3)若存储的数据为整数值且类型为int8_t，则encoding域为11100001，contents存储8位有符号整数；若类型为int16_t，则encoding域为11100010，contents存储16位有符号整数；若类型为int32_t，则encoding域为11100100，contents存储32位有符号整数；若类型为int64_t，则encoding为域11101000，contents存储64位有符号整数；
4)若存储的数据为浮点数且可用单精度浮点数格式保存，则encoding域为11110001，contents域占32位，高一位为数符，接下来8位为阶码，移码表示，末23位为尾数；若需使用双精度浮点数格式保存，则encoding域为11110010，contents域占64位，高一位为数符，接下来11位为阶码，移码表示，末52位为尾数；若需使用临时浮点数格式保存，则encoding域为11110100，contents域占80位，高一位为数符，接下来15位为阶码，移码表示，末64位为尾数。当节点数据存储浮点数时，contents的尾数位总是隐藏高一位；
所述x、a、b、d分别表示不同的字符。
3.根据权利要求1所述的基于列表存储结构的数据存储方法，其特征在于：构建节点数据entry_length域：若当前节点占据内存空间字节数小于254，则entry_length域占1B，表示节点长度；若当前节点占据内存空间字节数大于等于254，则entry_length域占5B，末字节为固定值0xFE，标记前4B表示节点长度。
4.根据权利要求2或3所述的基于列表存储结构的数据存储方法，其特征在于：所述zlbytes使用8B字节表示列表存储结构占用的内存空间字节数时的初始值为14。
5.根据权利要求2或3所述的基于列表存储结构的数据存储方法，其特征在于：所述zllen使用4B表示列表存储结构的节点个数时的初始值为0。
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