1. rehash

这也是经常被问到的!

1.1. 前序

先来了解下Redis里的字典的结构:

/*
 * 字典
 */
typedef struct dict {

    // 类型特定函数
    dictType *type;

    // 私有数据
    void *privdata;

    // 哈希表
    dictht ht[2];

    // rehash 索引
    // 当 rehash 不在进行时，值为 -1
    int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */

    // 目前正在运行的安全迭代器的数量
    int iterators; /* number of iterators currently running */

} dict;

type属性和privdata属性是针对不同类型的键值对,为创建多态字典而设置的!
- type属性是一个指向dictType结构的指针,每个dictType结构保存了一簇用于操作特定类型键值对的函数!Redis会为用途不同的字典设置不同的类型特定函数
- privdata属性则保存了需要传给那些类型特定函数的可选参数
```
“typedef struct dictType {
    // 计算哈希值的函数
    unsigned int (*hashFunction)(const void *key);
    // 复制键的函数
    void *(*keyDup)(void *privdata, const void *key);
    // 复制值的函数
    void *(*valDup)(void *privdata, const void *obj);
    // 对比键的函数
    int (*keyCompare)(void *privdata, const void *key1, const void *key2);
    // 销毁键的函数
    void (*keyDestructor)(void *privdata, void *key);
    // 销毁值的函数
    void (*valDestructor)(void *privdata, void *obj);
} dictType;”
```
- ht属性是一个包含两个项的数组,数组中的每个项都是一个dictht哈希表,一般情况下,字典只使用ht[0]哈希表,ht[1]哈希表只会在对ht[0]哈希表进行rehash时使用
- rehashidx,记录rehash目前的进度,如果目前没有在进行rehash,它的值就是-1

// 哈希表
typedef struct dictht {

    // 哈希表数组
    dictEntry **table;

    // 哈希表大小
    unsigned long size;

    // 哈希表大小掩码，用于计算索引值
    // 总是等于 size - 1
    unsigned long sizemask;

    // 该哈希表已有节点的数量
    unsigned long used;

} dictht;

没有进行rehash时候的字典

1.2. 重新散列

随着操作的不断执行,哈希表保存的键值对会逐渐的增多或者减少,为了让哈希表的负载因子（load factor）维持在一个合理的范围之内，当哈希表保存的键值对数量太多或者太少时，程序需要对哈希表的大小进行相应的扩展或者收缩。

扩展和收缩哈希表的工作可以通过执行rehash（重新散列）操作来完成，Redis对字典的哈希表执行rehash的步骤如下：

为字典的ht[1]哈希表分配空间，这个哈希表的空间大小取决于要执行的操作，以及ht[0]当前包含的键值对数量（也即是ht[0].used属性的值）：
- 如果执行的是扩展操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used*2的2^n （2的n次方幂）；
- 如果执行的是收缩操作，那么ht[1]的大小为第一个大于等于ht[0].used的2^n 。
将保存在ht[0]中的所有键值对rehash到ht[1]上面：rehash指的是重新计算键的哈希值和索引值，然后将键值对放置到ht[1]哈希表的指定位置上。
当ht[0]包含的所有键值对都迁移到了ht[1]之后（ht[0]变为空表），释放ht[0]，将ht[1]设置为ht[0]，并在ht[1]新创建一个空白哈希表，为下一次rehash做准备。

1.2.1. 步骤

执行rehash之前的字典

ht[0].used当前的值为4，4*2=8，而8（2^3 ）恰好是第一个大于等于4的2的n次方，所以程序会将ht[1]哈希表的大小设置为8。图4-9展示了ht[1]在分配空间之后，字典的样子。

将ht[0]包含的四个键值对都rehash到ht[1]

ht[0]的所有键值对都已经被迁移到ht[1]

释放ht[0]，并将ht[1]设置为ht[0]，然后为ht[1]分配一个空白哈希表，如图所示。至此，对哈希表的扩展操作执行完毕，程序成功将哈希表的大小从原来的4改为了现在的8。

1.2.2. 触发条件

服务器目前没有在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令,并且哈希表的负载因子大于等于1
服务器目前正在执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令,并且哈希表的负载因子大于等于5
load_factor < 0.1，dict就会触发缩减操作rehash

负载因子 = 哈希表已保存节点数量/ 哈希表大小

load_factor = ht[0].used / ht[0].size

根据BGSAVE命令或BGREWRITEAOF命令是否正在执行，服务器执行扩展操作所需的负载因子并不相同，这是因为在执行BGSAVE命令或BGREWRITEAOF命令的过程中，Redis需要创建当前服务器进程的子进程，而大多数操作系统都采用写时复制（copy-on-write）(写时复制可参考:COW),技术来优化子进程的使用效率，所以在子进程存在期间，服务器会提高执行扩展操作所需的负载因子，从而尽可能地避免在子进程存在期间进行哈希表扩展操作，这可以避免不必要的内存写入操作，最大限度地节约内存。

1.3. 渐进式rehash

扩展或收缩哈希表需要将ht[0]里面的所有键值对rehash到ht[1]里面，但是，这个rehash动作并不是一次性、集中式地完成的，而是分多次、渐进式地完成的。

这样做的原因在于，如果ht[0]里只保存着四个键值对，那么服务器可以在瞬间就将这些键值对全部rehash到ht[1]；但是，如果哈希表里保存的键值对数量不是四个，而是四百万、四千万甚至四亿个键值对，那么要一次性将这些键值对全部rehash到ht[1]的话，庞大的计算量可能会导致服务器在一段时间内停止服务。

因此，为了避免rehash对服务器性能造成影响，服务器不是一次性将ht[0]里面的所有键值对全部rehash到ht[1]，而是分多次、渐进式地将ht[0]里面的键值对慢慢地rehash到ht[1]。

以下是哈希表渐进式rehash的详细步骤:

为ht[1]分配空间，让字典同时持有ht[0]和ht[1]两个哈希表。
在字典中维持一个索引计数器变量rehashidx，并将它的值设置为0，表示rehash工作正式开始。
在rehash进行期间，每次对字典执行添加、删除、查找或者更新操作时，程序除了执行指定的操作以外，还会顺带将ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有键值对rehash到ht[1]，当rehash工作完成之后，程序将rehashidx属性的值增一。
随着字典操作的不断执行，最终在某个时间点上，ht[0]的所有键值对都会被rehash至ht[1]，这时程序将rehashidx属性的值设为-1，表示rehash操作已完成。

渐进式rehash的好处在于它采取分而治之的方式，将rehash键值对所需的计算工作均摊到对字典的每个添加、删除、查找和更新操作上，从而避免了集中式rehash而带来的庞大计算量。

以下是变化过程:

1.准备开始rehash

2.rehash索引0上的键值对

3.rehash索引1上的键值对

4.rehash索引2上的键值对

5.rehash索引3上的键值对

执行完毕

1.4. 如果在渐进式rehash执行期间进行哈希表操作

因为在进行渐进式rehash的过程中，字典会同时使用ht[0]和ht[1]两个哈希表，所以在渐进式rehash进行期间，字典的删除（delete）、查找（find）、更新（update）等操作会在两个哈希表上进行。例如，要在字典里面查找一个键的话，程序会先在ht[0]里面进行查找，如果没找到的话，就会继续到ht[1]里面进行查找，诸如此类。

另外，在渐进式rehash执行期间，新添加到字典的键值对一律会被保存到ht[1]里面，而ht[0]则不再进行任何添加操作，这一措施保证了ht[0]包含的键值对数量会只减不增，并随着rehash操作的执行而最终变成空表。

1.5. 字典操作

函数	作用	时间复杂度
dictCreate	创建一个新的字典	O(1)
dictAdd	将给定的键值对添加到字典里面	O(1)
dictReplace	将给定的键值对添加到字典里面,如果键已经存在于字典,那么用新值取代原有的值	O(1)
dictFetchValue	返回给定键的值	O(1)
dictGetRandomKey	从字典中随机返回一个键值对	O(1)
dictDelete	从字典中删除给定键对应的键值对	O(1)
dictRelease	释放给定字典,以及字典包含的所有键值对	O(N),N为字典包含的键值对数量

以上摘自: Redis设计与实现

rehash