源码 10：跋山涉水 —— 深入字典遍历
Redis 字典的遍历过程逻辑比较复杂，互联网上对这一块的分析讲解非常少。我也花了不少时间对源码的细节进行了整理，将我个人对字典遍历逻辑的理解呈现给各位读者。也许读者们对字典的遍历过程有比我更好的理解，还请不吝指教。
一边遍历一边修改
我们知道 Redis 对象树的主干是一个字典，如果对象很多，这个主干字典也会很大。当我们使用 keys 命令搜寻指定模式的 key 时，它会遍历整个主干字典。值得注意的是，在遍历的过程中，如果满足模式匹配条件的 key 被找到了，还需要判断 key 指向的对象是否已经过期。如果过期了就需要从主干字典中将该 key 删除。
void keysCommand(client *c) {
dictIterator *di; // 迭代器
dictEntry *de; // 迭代器当前的entry
sds pattern = c->argv[1]->ptr; // keys的匹配模式参数
int plen = sdslen(pattern);
int allkeys; // 是否要获取所有key，用于keys *这样的指令
unsigned long numkeys = 0;
void *replylen = addDeferredMultiBulkLength(c);
// why safe?
di = dictGetSafeIterator(c->db->dict);
allkeys = (pattern[0] == '*' && pattern[1] == '\0');
while((de = dictNext(di)) != NULL) {
sds key = dictGetKey(de);
robj *keyobj;
if (allkeys || stringmatchlen(pattern,plen,key,sdslen(key),0)) {
keyobj = createStringObject(key,sdslen(key));
// 判断是否过期，过期了要删除元素
if (expireIfNeeded(c->db,keyobj) == 0) {
addReplyBulk(c,keyobj);
numkeys++;
}
decrRefCount(keyobj);
}
}
dictReleaseIterator(di);
setDeferredMultiBulkLength(c,replylen,numkeys);
}
那么，你是否想到了其中的困难之处，在遍历字典的时候还需要修改字典，会不会出现指针安全问题？
重复遍历
字典在扩容的时候要进行渐进式迁移，会存在新旧两个 hashtable。遍历需要对这两个 hashtable 依次进行，先遍历完旧的 hashtable，再继续遍历新的 hashtable。如果在遍历的过程中进行了 rehashStep，将已经遍历过的旧的 hashtable 的元素迁移到了新的 hashtable 中，那么遍历会不会出现元素的重复？这也是遍历需要考虑的疑难之处，下面我们来看看 Redis 是如何解决这个问题的。
迭代器的结构
Redis 为字典的遍历提供了 2 种迭代器，一种是安全迭代器，另一种是不安全迭代器。
typedef struct dictIterator {
dict *d; // 目标字典对象
long index; // 当前遍历的槽位置，初始化为-1
int table; // ht[0] or ht[1]
int safe; // 这个属性非常关键，它表示迭代器是否安全
dictEntry *entry; // 迭代器当前指向的对象
dictEntry *nextEntry; // 迭代器下一个指向的对象
long long fingerprint; // 迭代器指纹，放置迭代过程中字典被修改
} dictIterator;
// 获取非安全迭代器，只读迭代器，允许rehashStep
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;
}
// 获取安全迭代器，允许触发过期处理，禁止rehashStep
dictIterator *dictGetSafeIterator(dict *d) {
dictIterator *i = dictGetIterator(d);
i->safe = 1;
return i;
}
迭代器的「安全」指的是在遍历过程中可以对字典进行查找和修改，不用感到担心，因为查找和修改会触发过期判断，会删除内部元素。「安全」的另一层意思是迭代过程中不会出现元素重复，为了保证不重复，就会禁止 rehashStep。
而「不安全」的迭代器是指遍历过程中字典是只读的，你不可以修改，你只能调用 dictNext 对字典进行持续遍历，不得调用任何可能触发过期判断的函数。不过好处是不影响 rehash，代价就是遍历的元素可能会出现重复。
安全迭代器在刚开始遍历时，会给字典打上一个标记，有了这个标记，rehashStep 就不会执行，遍历时元素就不会出现重复。
typedef struct dict {
dictType *type;
void *privdata;
dictht ht[2];
long rehashidx;
// 这个就是标记，它表示当前加在字典上的安全迭代器的数量
unsigned long iterators;
} dict;
// 如果存在安全的迭代器，就禁止rehash
static void _dictRehashStep(dict *d) {
if (d->iterators == 0) dictRehash(d,1);
}
迭代过程
安全的迭代器在遍历过程中允许删除元素，意味着字典第一维数组下面挂接的链表中的元素可能会被摘走，元素的 next 指针就会发生变动，这是否会影响迭代过程呢？下面我们仔细研究一下迭代函数的代码逻辑。
dictEntry *dictNext(dictIterator *iter)
{
while (1) {
if (iter->entry == NULL) {
// 遍历一个新槽位下面的链表，数组的index往前移动了
dictht *ht = &iter->d->ht[iter->table];
if (iter->index == -1 && iter->table == 0) {
// 第一次遍历，刚刚进入遍历过程
// 也就是ht[0]数组的第一个元素下面的链表
if (iter->safe) {
// 给字典打安全标记，禁止字典进行rehash
iter->d->iterators++;
} else {
// 记录迭代器指纹，就好比字典的md5值
// 如果遍历过程中字典有任何变动，指纹就会改变
iter->fingerprint = dictFingerprint(iter->d);
}
}
iter->index++; // index=0，正式进入第一个槽位
if (iter->index >= (long) ht->size) {
// 最后一个槽位都遍历完了
if (dictIsRehashing(iter->d) && iter->table == 0) {
// 如果处于rehash中，那就继续遍历第二个 hashtable
iter->table++;
iter->index = 0;
ht = &iter->d->ht[1];
} else {
// 结束遍历
break;
}
}
// 将当前遍历的元素记录到迭代器中
iter->entry = ht->table[iter->index];
} else {
// 直接将下一个元素记录为本次迭代的元素
iter->entry = iter->nextEntry;
}
if (iter->entry) {
// 将下一个元素也记录到迭代器中，这点非常关键
// 防止安全迭代过程中当前元素被过期删除后，找不到下一个需要遍历的元素
// 试想如果后面发生了rehash，当前遍历的链表被打散了，会发生什么
// 这里要使劲发挥自己的想象力来理解
// 旧的链表将一分为二，打散后重新挂接到新数组的两个槽位下
// 结果就是会导致当前链表上的元素会重复遍历
// 如果rehash的链表是index前面的链表，那么这部分链表也会被重复遍历
iter->nextEntry = iter->entry->next;
return iter->entry;
}
}
return NULL;
}
// 遍历完成后要释放迭代器，安全迭代器需要去掉字典的禁止rehash的标记
// 非安全迭代器还需要检查指纹，如果有变动，服务器就会奔溃(failfast)
void dictReleaseIterator(dictIterator *iter)
{
if (!(iter->index == -1 && iter->table == 0)) {
if (iter->safe)
iter->d->iterators--; // 去掉禁止rehash的标记
else
assert(iter->fingerprint == dictFingerprint(iter->d));
}
zfree(iter);
}
// 计算字典的指纹，就是将字典的关键字段进行按位糅合到一起
// 这样只要有任意的结构变动，指纹都会发生变化
// 如果只是某个元素的value被修改了，指纹不会发生变动
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;
for (j = 0; j < 6; j++) {
hash += integers[j];
hash = (~hash) + (hash << 21);
hash = hash ^ (hash >> 24);
hash = (hash + (hash << 3)) + (hash << 8);
hash = hash ^ (hash >> 14);
hash = (hash + (hash << 2)) + (hash << 4);
hash = hash ^ (hash >> 28);
hash = hash + (hash << 31);
}
return hash;
}
值得注意的是在字典扩容时进行 rehash，将旧数组中的链表迁移到新的数组中。某个具体槽位下的链表只可能会迁移到新数组的两个槽位中。
hash mod 2^n = k
hash mod 2^(n+1) = k or k+2^n
迭代器的选择
除了 keys 指令使用了安全迭代器，因为结果不允许重复。那还有其它的地方使用了安全迭代器么，什么情况下遍历适合使用非安全迭代器呢？
简单一点说，那就是如果遍历过程中不允许出现重复，那就使用 SafeIterator，比如下面的两种情况
bgaofrewrite需要遍历所有对象转换称操作指令进行持久化，绝对不允许出现重复bgsave也需要遍历所有对象来持久化，同样不允许出现重复
如果遍历过程中需要处理元素过期，需要对字典进行修改，那也必须使用 SafeIterator，因为非安全的迭代器是只读的。
其它情况下，也就是允许遍历过程中出现个别元素重复，不需要对字典进行结构性修改的情况下一律使用非安全迭代器。
思考
请继续思考 rehash 对非安全遍历过程的影响，会重复哪些元素，重复的元素会非常多么还是只是少量重复？
