redis中zset原理

Posted 2023-05-16

参考技术A redis中有一个非常重要的数据结构，那就是Zset。它是一个有序集合，也就是说存储的数据是有序的。

说到有序集合，很容易就能想到二叉搜索树，比如AVL树、红黑树、B树、B+树这些数据结构。而Zset底层使用的是什么数据结构呢，其实zset使用的是跳跃表（skipList）的数据结构。

什么是跳跃表？
它其实是一种随机化的数据结构，一个多层的有序链表，一种基于概率统计的插入算法。

那么redis中为什么不使用红黑树而使用跳跃表？

跳跃表就像是上图一样的一个多层的链表，如果查询46的话。其步骤是：
（1）查询L4层，查询->55，需要查询1次
（2）查询L3层，查询->21–>55，需要查询2次
（3）查询L2层，查询->37–>55，需要查询2次
（4）查询L1层，查询->46，查询1次，找到结果

跳跃表就好像每两个元素抽取一个元素放到上一层，这样一次叠加，就形成了多层的链表。上一层的元素个数是下一层元素个数的1/2，所以查询的时候就类似二分查找。

这种方法类似于二分查找的方法，所以跳跃表的查找的时间复杂度为O(logN)。

跳跃表每个节点包含两个指针，一个指向同一链表中的下一个元素（next），一个指向下面一层的元素（down）。

我们来看一下插入，往跳表中插入数据的时候，可以选择同时将这个数据插入到第几层中，比如随机函数生成了值 K，那我们就将这个结点添加到第一层到第 K 层这 K 级索引中。

随机的K是如何产生的：
通过随机数来产生，第一层肯定需要添加元素，所以K的初始值为1。后面的，如果随机数为1，就是K加一，随机数为0，就退出。这样每一层插入该元素的概率为1/2的n次方。这样就很大程度上保证了后一层元素的总数量是前一层元素的2倍。

再看删除，在各个层中找到包含 x 的节点，使用标准的 delete from list 方法删除该节点。直接删除元素，然后调整一下删除元素后的指针即可。跟普通的链表删除操作完全一样。

跳跃表插入和删除的时间复杂度都是O(logN)。

系统学习redis之七——redis数据类型之zset数据类型及操作

sourted sets数据类型介绍

sorted set是set的一个升级版本，他在set的基础上增加了一个顺序属性。这一属性在修改元素的时候可以指定，每次指定后，zset会自动按照新的值调整顺序，是有序集合。可以理解为有两列的MySQL表，一列存value，一列存顺序。操作中key理解为zset的名字。

zset数据类型方法

• zadd：向指定集合zset中添加元素member，score用于排序，如果该元素已经存在，则更新其顺序
• zrange：查看sourted sets里面的所有元素
• zrem：删除名称为key的zset中的元素member(即删除指定zset里面的指定元素)
• zincrby：如果在某一个zset中已经存在元素member，则该元素的score增加increment。否则向该集合中添加该元素，其score的值就为指定的increment值
• zrank：返回某一个zset中指定元素的索引值(不是插入的时候指定的那个顺序值，是元素的下标)。这个索引值是按照元素的score值从小到大排列的，score值越小，索引值(下标)就越小，score值越大，索引值(下标)就越大
• zrevrank：返回某一个zset中指定元素的索引值(不是插入的时候指定的那个顺序值，是元素的下标)。这个索引值是按照元素的score值从大到小排列的，score值越小，索引值(下标)就越大，score值越大，索引值(下标)就越小
• zrevrange：返回某一个zset集合中的指定区间的元素及其顺序值，按照score值从大到小降序排列，与zrange相反
• zrangebyscore：返回集合中指定顺序值区间的元素
• zcount：返回集合中指定顺序值区间的元素总数量
• zcard：返回集合中的所有元素个数
• zremrangebyrank：删除在集合中排名在给定索引值(下标)区间的元素(注意：是按照索引值删除，这里不是顺序值)
• zremrangebyscore：删除在集合中排名在给定顺序值区间的元素(注意：是按照顺序值删除，这里不是索引值)

方法及操作

1）zadd：向指定集合zset中添加元素member,score用于排序，如果该元素已经存在，则更新其顺序
例如：向sset1中添加one和two两个元素并指定顺序

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZADD sset1 1 one    #向sset1中添加元素“one”，并指定顺序为1
(integer) 1                         #返回值为1,表示添加成功
127.0.0.1:6379> ZADD sset1 2 two    #向sset1中添加元素“two”，并指定顺序为2
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ZADD sset1 3 two    #向sset1中添加元素“two”，并指定顺序为3
(integer) 0                     #集合中不能有重复元素，所以这里返回的是0，表示重复添加元素“two”是失败的，但是会刷新元素“two”的顺序，将原来的2改成3
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1   #查看sset里面的所有元素，这里的0和-1也是代表元素的下标。这里是看不到设置的顺序的，要看顺序，就要加上WITHSCORES
1) "one"
2) "two"
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1 WITHSCORES        #查看sset的所有元素机器对应的顺序
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "3"      #这里就是第二次添加元素“two”的时候将顺序从2改成了3
127.0.0.1:6379> 

备注，同《系统学习redis之三——redis数据类型之string类型及操作》一样，后面的例子也都在同一台机器一次性操作完毕的，因为后面的代码如果不加上“ [[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli ”这一句。代码高亮也会格式有问题，所以后面所有的例子中都加上了“[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli ”，只是为了格式问题。

2）zrange：查看sourted sets里面的所有元素
例如：上面例子中查看sset1中的全部元素

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1   
1) "one"
2) "two"

3）zrem：删除名称为key的zset中的元素member(即删除指定zset里面的指定元素)
例如：删除sset1中的元素one

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
user127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1 WITHSCORES   #查看当前sset1里面的全部元素
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "3"
127.0.0.1:6379> ZREM sset1 one   #删除sset1的元素“one”
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1 WITHSCORES    #再查看sset1的元素，one已经被删除成功
1) "two"
2) "3"
127.0.0.1:6379> 

4）zincrby：如果在某一个zset中已经存在元素member，则该元素的score增加increment。否则向该集合中添加该元素，其score的值就为指定的increment值
例如：给sset1的某个元素增加顺序值

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1 WITHSCORES  #当前sset1中只有一个元素“two”，顺序为3
1) "two"
2) "3"
127.0.0.1:6379> ZINCRBY sset1 2 two     #给元素“two”的顺序加上2
"5"     #返回的就是元素“two”的顺序被增加之后的值
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1 WITHSCORES            #再查看sset1的值，two的顺序已经变成了5
1) "two"
2) "5"
127.0.0.1:6379> ZINCRBY sset1 -1 two        #当值变成负值，顺序值就会减小
"4"
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1 WITHSCORES
1) "two"
2) "4"
127.0.0.1:6379> ZINCRBY sset1 2 one     #给sset1中的元素“one”增加元素值2.因为sset1中不存在元素"one"，所以这里会插入元素“one”，并设置期顺序值为2
"2"
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset1 0 -1 WITHSCORES    #查看当前sset1的所有元素
1) "one"
2) "2"
3) "two"
4) "4"
127.0.0.1:6379> 

5）zrank：返回某一个zset中指定元素的索引值(不是插入的时候指定的那个顺序值，是元素的下标)。这个索引值是按照元素的score值从小到大排列的，score值越小，索引值(下标)就越小，score值越大，索引值(下标)就越大
例如：查看sset2中元素“two”的索引值

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES
1) "one"
2) "1"
3) "two"    #插入two，设置的顺序值是2
4) "2"
5) "three"
6) "3"
127.0.0.1:6379> ZRANK sset2 two  #返回元素“two”的索引值，即下标
(integer) 1     #这里的1就是表示元素“two”的索引值(下标)。one的下标是0，two的下标就是1
127.0.0.1:6379> 

6）zrevrank：返回某一个zset中指定元素的索引值(不是插入的时候指定的那个顺序值，是元素的下标)。这个索引值是按照元素的score值从大到小排列的，score值越小，索引值(下标)就越大，score值越大，索引值(下标)就越小
例如：用zrevrank查看sset2中各元素的下标值

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "2"
5) "three"
6) "3"
127.0.0.1:6379> ZREVRANK sset2 one  #元素“one”的score值最小，索引值最大
(integer) 2
127.0.0.1:6379> ZREVRANK sset2 two
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ZREVRANK sset2 three  #元素“three”的score值最大，索引值最小
(integer) 0
127.0.0.1:6379> 

7）zrevrange：返回某一个zset集合中的指定区间的元素及其顺序值，按照score值从大到小降序排列，与zrange相反
例如：使用zrevrange返回sset2中所有的元素及其顺序值

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES   #先用zrange查看sset2中的元素及其顺序值，是按照从小到大升序排列的
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "2"
5) "three"
6) "3"
127.0.0.1:6379> 
127.0.0.1:6379> ZREVRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES  #先用zrevrang查看sset2中的元素及其顺序值，是按照从大到小降序排列的
1) "three"
2) "3"
3) "two"
4) "2"
5) "one"
6) "1"

8）zrangebyscore：返回集合中指定顺序值区间的元素
例如：返回sset2中指定顺序值区间的元素

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES   #查看sset2中所有元素及其顺序值
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "2"
5) "three"
6) "3"
127.0.0.1:6379> ZRANGEBYSCORE sset2 1 2 WITHSCORES   #查看sset2中顺序值为1到2的元素
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "2"
127.0.0.1:6379> ZRANGEBYSCORE sset2 2 3 WITHSCORES   #查看sset2中顺序值为2到3的元素
1) "two"
2) "2"
3) "three"
4) "3"
127.0.0.1:6379> 
127.0.0.1:6379> ZRANGEBYSCORE sset2 1 3 WITHSCORES    #查看sset2中顺序值为1到3的元素
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "2"
5) "three"
6) "3"
127.0.0.1:6379>

9）zcount：返回集合中指定顺序值区间的元素总数量
例如：返回sset2中指定顺序值区间的元素数量

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES        查看sset2中所有元素及其顺序值
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "2"
5) "three"
6) "3"
127.0.0.1:6379> ZCOUNT sset2 1 2    #查看sset2中顺序值从1到2的元素个数
(integer) 2         #这里的2就代表的元素个数
127.0.0.1:6379> ZCOUNT sset2 2 3  #查看sset2中顺序值从2到3的元素个数
(integer) 2
127.0.0.1:6379> ZCOUNT sset2 1 3   #查看sset2中顺序值从1到3的元素个数
(integer) 3
127.0.0.1:6379> 

10）zcard：返回集合中的所有元素个数
例如：查看sset2中所有元素个数

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1       #查看sset2中所有元素，总共3个
1) "one"
2) "two"
3) "three"
127.0.0.1:6379> ZCARD sset2     #使用zcard返回sset2中元素总数
(integer) 3         #这里的3就表示元素总数量
127.0.0.1:6379>

11）zremrangebyrank：删除在集合中排名在给定索引值(下标)区间的元素(注意：是按照索引值删除，这里不是顺序值)
例如：删除sset2中是定索引区间的元素

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES    #当前sset2中所有元素
 1) "one"
 2) "1"
 3) "two"
 4) "2"
 5) "three"
 6) "3"
 7) "four"
 8) "4"
 9) "five"
10) "5"
127.0.0.1:6379> ZREMRANGEBYRANK sset2 3 4    #删除索引值从3到4这个区间的元素
(integer) 2       #2表示删除元素的个数
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES     #索引值从0开始，元素“four”的索引值是3，元素“five”的索引值是4，都给删除了
1) "one"
2) "1"
3) "two"
4) "2"
5) "three"
6) "3"
127.0.0.1:6379> ZREMRANGEBYRANK sset2 1 1   #索引区间的开始值和结束值可以是一样的，就只删除1个元素
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES    #索引值为1的元素“two”给删除了
1) "one"
2) "1"
3) "three"
4) "3"
127.0.0.1:6379> 

12）zremrangebyscore：删除在集合中排名在给定顺序值区间的元素(注意：是按照顺序值删除，这里不是索引值)
例如：删除sset2中是定顺序区间的元素

[[email protected] redis-4.0.1]# src/redis-cli 
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES   #当前sset2中所有元素
 1) "one"
 2) "1"
 3) "two"
 4) "2"
 5) "three"
 6) "3"
 7) "four"
 8) "4"
 9) "five"
10) "5"
127.0.0.1:6379> ZREMRANGEBYSCORE sset2 2 4  #顺序值从1开始，元素“two”的索引值是2，元素“four”的索引值是4，都给删除了
(integer) 3
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES    
1) "one"
2) "1"
3) "five"
4) "5"
127.0.0.1:6379> ZREMRANGEBYSCORE sset2 5 5  #顺序区间的开始值和结束值可以是一样的，就只删除1个元素
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ZRANGE sset2 0 -1 WITHSCORES
1) "one"
2) "1"
127.0.0.1:6379>