深度分析：Redis 的数据结构及其使用场景分析，原来这么简单？

Posted 2020-12-09

Redis基础数据结构有哪些？

一、String（字符串）

在任何一种编程语言里，字符串String都是最基础的数据结构， 那你有想过Redis中存储一个字符串都进行了哪些操作嘛？

在Redis中String是可以修改的，称为动态字符串(Simple Dynamic String简称SDS)（快拿小本本记名词，要考的），说是字符串但它的内部结构更像是一个ArrayList，内部维护着一个字节数组，并且在其内部预分配了一定的空间，以减少内存的频繁分配。

Redis的内存分配机制是这样：

• 当字符串的长度小于 1MB时，每次扩容都是加倍现有的空间。
• 如果字符串长度超过 1MB时，每次扩容时只会扩展 1MB 的空间。

这样既保证了内存空间够用，还不至于造成内存的浪费，字符串最大长度为512MB.。

上图就是字符串的基本结构，其中content里面保存的是字符串内容，0x作为结束字符不会被计算len中。

分析一下字符串的数据结构

struct SDS{
  T capacity;       //数组容量
  T len;            //实际长度
  byte flages;  //标志位,低三位表示类型
  byte[] content;   //数组内容
}

capacity和len两个属性都是泛型，为什么不直接用int类型？因为Redis内部有很多优化方案，为更合理的使用内存，不同长度的字符串采用不同的数据类型表示，且在创建字符串的时候len会和capacity一样大，不产生冗余的空间，所以String值可以是字符串、数字（整数、浮点数) 或者 二进制。

1、应用场景：

存储key-value键值对，这个比较简单不细说了

2、字符串（String）常用的命令：

set   [key]  [value]   给指定key设置值（set 可覆盖老的值）

get  [key]   获取指定key 的值

del  [key]   删除指定key

exists  [key]  判断是否存在指定key

mset  [key1]  [value1]  [key2]  [value2] ...... 批量存键值对

mget  [key1]  [key2] ......   批量取key

expire [key]  [time]    给指定key 设置过期时间  单位秒

setex    [key]  [time]  [value]  等价于 set + expire 命令组合

setnx  [key]  [value]   如果key不存在则set 创建，否则返回0

incr   [key]           如果value为整数 可用 incr命令每次自增1

incrby  [key] [number]  使用incrby命令对整数值 进行增加 number

二、list(列表)

Redis中的list和Java中的LinkedList很像，底层都是一种链表结构，list的插入和删除操作非常快，时间复杂度为 0(1)，不像数组结构插入、删除操作需要移动数据。

像归像，但是redis中的list底层可不是一个双向链表那么简单。

当数据量较少的时候它的底层存储结构为一块连续内存，称之为ziplist(压缩列表)，它将所有的元素紧挨着一起存储，分配的是一块连续的内存；当数据量较多的时候将会变成quicklist(快速链表)结构。

可单纯的链表也是有缺陷的，链表的前后指针prev和next会占用较多的内存，会比较浪费空间，而且会加重内存的碎片化。在redis 3.2之后就都改用ziplist+链表的混合结构，称之为quicklist(快速链表)。

下面具体介绍下两种链表

ziplist(压缩列表)

先看一下ziplist的数据结构，

struct ziplist<T>{
    int32 zlbytes;            //压缩列表占用字节数
    int32 zltail_offset;    //最后一个元素距离起始位置的偏移量,用于快速定位到最后一个节点
    int16 zllength;            //元素个数
    T[] entries;            //元素内容
    int8 zlend;                //结束位 0xFF
}

int32 zlbytes： 压缩列表占用字节数?
int32 zltail_offset： 最后一个元素距离起始位置的偏移量,用于快速定位到最后一个节点

`int16 zllength`：元素个数
`T[] entries`：元素内容
`int8 zlend`：结束位 0xFF

压缩列表为了支持双向遍历，所以才会有ztail_offset这个字段，用来快速定位到最后一?
个元素，然后倒着遍历

entry的数据结构：

struct entry{
    int<var> prevlen;            //前一个 entry 的长度
    int<var> encoding;            //元素类型编码
    optional byte[] content;    //元素内容
}

entry它的prevlen字段表示前一个entry的字节长度，当压缩列表倒着遍历时，需要通过这?
个字段来快速定位到下一个元素的位置。

1、应用场景：

由于list它是一个按照插入顺序排序的列表，所以应用场景相对还较多的，例如：

• 消息队列：lpop和rpush（或者反过来，lpush和rpop）能实现队列的功能
• 朋友圈的点赞列表、评论列表、排行榜：lpush命令和lrange命令能实现最新列表的功能，每次通过lpush命令往列表里插入新的元素，然后通过lrange命令读取最新的元素列表。

2、list操作的常用命名：

rpush  [key] [value1] [value2] ......    链表右侧插入

rpop    [key]  移除右侧列表头元素，并返回该元素

lpop   [key]    移除左侧列表头元素，并返回该元素

llen  [key]     返回该列表的元素个数

lrem [key] [count] [value]  删除列表中与value相等的元素，count是删除的个数。 count>0 表示从左侧开始查找，删除count个元素，count<0 表示从右侧开始查找，删除count个相同元素，count=0 表示删除全部相同的元素

(PS:   index 代表元素下标，index 可以为负数， index= 表示倒数第一个元素，同理 index=-2 表示倒数第二 个元素。)

lindex [key] [index]  获取list指定下标的元素 （需要遍历，时间复杂度为O(n)）

lrange [key]  [start_index] [end_index]   获取list 区间内的所有元素 （时间复杂度为 O（n））

ltrim  [key]  [start_index] [end_index]   保留区间内的元素，其他元素删除（时间复杂度为 O（n））

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三、hash （字典）

Redis中的Hash和 Java的HashMap更加相似，都是数组+链表的结构，当发生 hash 碰撞时将会把元素追加到链表上，值得注意的是在Redis的Hash中value只能是字符串.

hset books java "Effective java" (integer) 1
hset books golang "concurrency in go" (integer) 1
hget books java "Effective java"
hset user age 17 (integer) 1
hincrby user age 1    #单个 key 可以进行计数 和 incr 命令基本一致 (integer) 18

Hash和String都可以用来存储用户信息 ，但不同的是Hash可以对用户信息的每个字段单独存储；String存的是用户全部信息经过序列化后的字符串，如果想要修改某个用户字段必须将用户信息字符串全部查询出来，解析成相应的用户信息对象，修改完后在序列化成字符串存入。而 hash可以只对某个字段修改，从而节约网络流量，不过hash内存占用要大于String，这是hash的缺点。

1、应用场景：

• 购物车：hset [key] [field] [value]命令， 可以实现以用户Id，商品Id为field，商品数量为value，恰好构成了购物车的3个要素。
• 存储对象：hash类型的(key, field, value)的结构与对象的(对象id, 属性, 值)的结构相似，也可以用来存储对象。

2、hash常用的操作命令：

hset  [key]  [field] [value]    新建字段信息

hget  [key]  [field]    获取字段信息

hdel [key] [field]  删除字段

hlen  [key]   保存的字段个数

hgetall  [key]  获取指定key 字典里的所有字段和值 （字段信息过多,会导致慢查询 慎用：亲身经历 曾经用过这个这个指令导致线上服务故障）

hmset  [key]  [field1] [value1] [field2] [value2] ......   批量创建

hincr  [key] [field]   对字段值自增

hincrby [key] [field] [number] 对字段值增加number

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四、set(集合)

Redis中的set和Java中的HashSet有些类似，它内部的键值对是无序的、唯一 的。它的内部实现相当于一个特殊的字典，字典中所有的value都是一个值 NULL。当集合中最后一个元素被移除之后，数据结构被自动删除，内存被回收。

1、应用场景：

• 好友、关注、粉丝、感兴趣的人集合：?
  1)sinter命令可以获得A和B两个用户的共同好友；?
  2)sismember命令可以判断A是否是B的好友；?
  3)scard命令可以获取好友数量；?
  4) 关注时，smove命令可以将B从A的粉丝集合转移到A的好友集合
• 首页展示随机：美团首页有很多推荐商家，但是并不能全部展示，set类型适合存放所有需要展示的内容，而srandmember命令则可以从中随机获取几个。
• 存储某活动中中奖的用户ID ，因为有去重功能，可以保证同一个用户不会中奖两次。

2、set的常用命令：

sadd  [key]  [value]  向指定key的set中添加元素

smembers [key]    获取指定key 集合中的所有元素

sismember [key] [value]   判断集合中是否存在某个value

scard [key]    获取集合的长度

spop  [key]   弹出一个元素

srem [key] [value]  删除指定元素

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五、zset(有序集合)

zset也叫SortedSet一方面它是个set，保证了内部 value 的唯一性，另方面它可以给每个 value 赋予一个score，代表这个value的排序权重。它的内部实现用的是一种叫作“跳跃列表”的数据结构。

1、应用场景：

zset可以用做排行榜，但是和list不同的是zset它能够实现动态的排序，例如： 可以用来存储粉丝列表，value 值是粉丝的用户 ID，score 是关注时间，我们可以对粉丝列表按关注时间进行排序。

zset还可以用来存储学生的成绩，value值是学生的 ID,score是他的考试成绩。 我们对成绩按分数进行排序就可以得到他的名次。

2、zset有序集合的常用操作命令：

zadd [key] [score] [value] 向指定key的集合中增加元素

zrange [key] [start_index] [end_index] 获取下标范围内的元素列表，按score 排序输出

zrevrange [key] [start_index] [end_index]  获取范围内的元素列表 ，按score排序 逆序输出

zcard [key]  获取集合列表的元素个数

zrank [key] [value]  获取元素再集合中的排名

zrangebyscore [key] [score1] [score2]  输出score范围内的元素列表

zrem [key] [value]  删除元素

zscore [key] [value] 获取元素的score