Day728.Redis数据结构 -Redis 核心技术与实战

Posted 2022-09-05 阿昌喜欢吃黄桃

Redis数据结构

Hi，阿昌来也，今天学习记录的是关于Redis数据结构。

Redis，脑子里马上就会出现一个词：“快。”

但是有没有想过，Redis 的快，到底是快在哪里呢？

实际上，这里有一个重要的表现：查找Value对应位置的速度。它接收到一个键值对操作后，能以微秒级别的速度找到数据，并快速完成操作。

数据库这么多，为啥 Redis 能有这么突出的表现呢？为什么快呢？

• 一方面，这是因为它是内存数据库，所有操作都在内存上完成，内存的访问速度本身就很快。
• 另一方面，这要归功于它的KV数据结构。这是因为，键值对是按一定的数据结构来组织的，操作键值对最终就是对数据结构进行增删改查操作，所以高效的数据结构是 Redis 快速处理数据的基础。不是对应Value对应的数据结构，不是 String（字符串）、List（列表）、Hash（哈希）、Set（集合）和 Sorted Set（有序集合）等这些。

且Value对应的数据结构的底层数据结构一共有 6 种:

• 简单动态字符串
• 双向链表
• 压缩列表
• 哈希表
• 跳表
• 整数数组

它们和数据类型的对应关系如下图所示：

String 类型的底层实现只有一种数据结构，也就是简单动态字符串。

而 List、Hash、Set 和 Sorted Set 这四种数据类型，都有两种底层实现结构。

通常情况下，我们会把这四种类型称为集合类型，它们的特点是一个键对应了一个集合的数据。

看到这里，其实有些问题已经值得去考虑了：

• 这些数据结构都是值的底层实现，键和值本身之间用什么结构组织？
• 为什么集合类型有那么多的底层结构，它们都是怎么组织数据的，都很快吗？
• 什么是简单动态字符串，和常用的字符串是一回事吗？

一、键和值用什么结构组织？

为了实现从键到值的快速访问，Redis 使用了一个哈希表来保存所有键值对。

一个哈希表，其实就是一个数组，数组的每个元素称为一个哈希桶。（可以类比Java8的HashMap的数据结构）

所以，我们常说，一个哈希表是由多个哈希桶组成的，每个哈希桶中保存了键值对数据。

看到这里，可能会问了：“如果值是集合类型的话，作为数组元素的哈希桶怎么来保存呢？”

哈希桶中的元素保存的并不是值本身，而是指向具体值的指针。

这也就是说，不管值是 String，还是集合类型，哈希桶中的元素都是指向它们的指针。

在下图中，可以看到，哈希桶中的 entry 元素中保存了key和value指针，分别指向了实际的键和值，这样一来，即使值是一个集合，也可以通过*value指针被查找到。

因为这个哈希表保存了所有的键值对，所以，我也把它称为全局哈希表。

哈希表的最大好处很明显，就是让我们可以用 O(1) 的时间复杂度来快速查找到键值对——只需要计算键的哈希值，就可以知道它所对应的哈希桶位置，然后就可以访问相应的 entry 元素。

这个查找过程主要依赖于哈希计算，和数据量的多少并没有直接关系。

也就是说，不管哈希表里有 10 万个键还是 100 万个键，我们只需要一次计算就能找到相应的键。

但是，如果你只是了解了哈希表的 O(1) 复杂度和快速查找特性，那么，当你往 Redis 中写入大量数据后，就可能发现操作有时候会突然变慢了。

这其实是因为你忽略了一个潜在的风险点，那就是哈希表的冲突问题和 rehash可能带来的操作阻塞。

二、为什么哈希表操作变慢了？

当你往哈希表中写入更多数据时，哈希冲突是不可避免的问题。

这里的哈希冲突，也就是指，两个 key 的哈希值和哈希桶计算对应关系时，正好落在了同一个哈希桶中。

毕竟，哈希桶的个数通常要少于 key 的数量，这也就是说，难免会有一些 key 的哈希值对应到了同一个哈希桶中。

Redis 解决哈希冲突的方式，就是链式哈希。

链式哈希也很容易理解，就是指同一个哈希桶中的多个元素用一个链表来保存，它们之间依次用指针连接。

如下图所示：entry1、entry2 和 entry3 都需要保存在哈希桶 3 中，导致了哈希冲突。

此时，entry1 元素会通过一个next指针指向 entry2，同样，entry2 也会通过next指针指向 entry3。这样一来，即使哈希桶 3 中的元素有 100 个，我们也可以通过 entry 元素中的指针，把它们连起来。这就形成了一个链表，也叫作哈希冲突链。

但是，这里依然存在一个问题，哈希冲突链上的元素只能通过指针逐一查找再操作。如果哈希表里写入的数据越来越多，哈希冲突可能也会越来越多，这就会导致某些哈希冲突链过长，进而导致这个链上的元素查找耗时长，效率降低。

对于追求“快”的 Redis 来说，这是不太能接受的。所以，Redis 会对哈希表做 rehash 操作。

rehash 也就是增加现有的哈希桶数量，让逐渐增多的 entry 元素能在更多的桶之间分散保存，减少单个桶中的元素数量，从而减少单个桶中的冲突。那具体怎么做呢？

其实，为了使 rehash 操作更高效，Redis 默认使用了两个全局哈希表：哈希表 1 和哈希表 2。

一开始，当你刚插入数据时，默认使用哈希表 1，此时的哈希表 2 并没有被分配空间。（空间换时间的方案）

随着数据逐步增多，Redis 开始执行 rehash，这个过程分为三步：

1. 给哈希表 2 分配更大的空间，例如是当前哈希表 1 大小的两倍；
2. 把哈希表 1 中的数据重新映射并拷贝到哈希表 2 中；
3. 释放哈希表 1 的空间。

到此，可以从哈希表 1 切换到哈希表 2，用增大的哈希表 2 保存更多数据，而原来的哈希表 1 留作下一次 rehash 扩容备用。

这个过程看似简单，但是第二步涉及大量的数据拷贝，如果一次性把哈希表 1 中的数据都迁移完，会造成 Redis 线程阻塞，无法服务其他请求。此时，Redis 就无法快速访问数据了。为了避免这个问题，Redis 采用了渐进式 rehash。

简单来说就是在第二步拷贝数据时，Redis 仍然正常处理客户端请求，每处理一个请求时，从哈希表 1 中的第一个索引位置开始，顺带着将这个索引位置上的所有 entries 拷贝到哈希表 2 中；

等处理下一个请求时，再顺带拷贝哈希表 1 中的下一个索引位置的 entries。如下图所示：

这样就巧妙地把一次性大量拷贝的开销，分摊到了多次处理请求的过程中，避免了耗时操作，保证了数据的快速访问。

好了，到这里，就能理解，Redis 的键和值是怎么通过哈希表组织的了。

对于 String 类型来说，找到哈希桶就能直接增删改查了，所以，哈希表的 O(1) 操作复杂度也就是它的复杂度了。

但是，对于集合类型来说，即使找到哈希桶了，还要在集合中再进一步操作。

接下来，我们来看集合类型的操作效率又是怎样的。

三、集合数据操作效率

和 String 类型不同，一个集合类型的值，第一步是通过全局哈希表找到对应的哈希桶位置，第二步是在集合中再增删改查。

那么，集合的操作效率和哪些因素相关呢？

首先，与集合的底层数据结构有关。

例如，使用哈希表实现的集合，要比使用链表实现的集合访问效率更高。

其次，操作效率和这些操作本身的执行特点有关，比如读写一个元素的操作要比读写所有元素的效率高。

四、有哪些底层数据结构？

集合类型的底层数据结构主要有 5 种：整数数组、双向链表、哈希表、压缩列表和跳表。

哈希表的操作特点刚刚已经聊了；
整数数组和双向链表也很常见，它们的操作特征都是顺序读写，也就是通过数组下标或者链表的指针逐个元素访问，操作复杂度基本是 O(N)，操作效率比较低；

压缩列表和跳表我们平时接触得可能不多，但它们也是 Redis 重要的数据结构。

压缩列表实际上类似于一个数组，数组中的每一个元素都对应保存一个数据。和数组不同的是，压缩列表在表头有三个字段 zlbytes、zltail 和 zllen，分别表示列表长度、列表尾的偏移量和列表中的 entry 个数；压缩列表在表尾还有一个 zlend，表示列表结束。

在压缩列表中，如果我们要查找定位第一个元素和最后一个元素，可以通过表头三个字段的长度直接定位，复杂度是 O(1)。

而查找其他元素时，就没有这么高效了，只能逐个查找，此时的复杂度就是 O(N) 了。

有序链表只能逐一查找元素，导致操作起来非常缓慢，于是就出现了跳表。

具体来说，跳表在链表的基础上，增加了多级索引，通过索引位置的几个跳转，实现数据的快速定位（类似mysql的二级索引结构）

如下图所示：

如果要在链表中查找 33 这个元素，只能从头开始遍历链表，查找 6 次，直到找到 33 为止。

此时，复杂度是 O(N)，查找效率很低。为了提高查找速度，我们来增加一级索引：从第一个元素开始，每两个元素选一个出来作为索引。这些索引再通过指针指向原始的链表。

例如，从前两个元素中抽取元素 1 作为一级索引，从第三、四个元素中抽取元素 11 作为一级索引。此时，我们只需要 4 次查找就能定位到元素 33 了。如果我们还想再快，可以再增加二级索引：从一级索引中，再抽取部分元素作为二级索引。例如，从一级索引中抽取 1、27、100 作为二级索引，二级索引指向一级索引。

这样，我们只需要 3 次查找，就能定位到元素 33 了。可以看到，这个查找过程就是在多级索引上跳来跳去，最后定位到元素。这也正好符合“跳”表的叫法。当数据量很大时，跳表的查找复杂度就是 O(logN)。

好了，现在可以按照查找的时间复杂度给这些数据结构分下类了：

五、不同操作的复杂度

集合类型的操作类型很多，有读写单个集合元素的，例如 HGET、HSET，也有操作多个元素的，例如 SADD，还有对整个集合进行遍历操作的，例如 SMEMBERS。

这么多操作，它们的复杂度也各不相同。而复杂度的高低又是我们选择集合类型的重要依据。

总结了一个“四句口诀”，希望快速记住集合常见操作的复杂度。

• 单元素操作是基础；
• 范围操作非常耗时；
• 统计操作通常高效；
• 例外情况只有几个。

第一，单元素操作，是指每一种集合类型对单个数据实现的增删改查操作。例如，Hash 类型的 HGET、HSET 和 HDEL，Set 类型的 SADD、SREM、SRANDMEMBER 等。这些操作的复杂度由集合采用的数据结构决定，例如，HGET、HSET 和 HDEL 是对哈希表做操作，所以它们的复杂度都是 O(1)；Set 类型用哈希表作为底层数据结构时，它的 SADD、SREM、SRANDMEMBER 复杂度也是 O(1)。这里，有个地方你需要注意一下，集合类型支持同时对多个元素进行增删改查，例如 Hash 类型的 HMGET 和 HMSET，Set 类型的 SADD 也支持同时增加多个元素。此时，这些操作的复杂度，就是由单个元素操作复杂度和元素个数决定的。例如，HMSET 增加 M 个元素时，复杂度就从 O(1) 变成 O(M) 了。

第二，范围操作，是指集合类型中的遍历操作，可以返回集合中的所有数据，比如 Hash 类型的 HGETALL 和 Set 类型的 SMEMBERS，或者返回一个范围内的部分数据，比如 List 类型的 LRANGE 和 ZSet 类型的 ZRANGE。这类操作的复杂度一般是 O(N)，比较耗时，我们应该尽量避免。不过，Redis 从 2.8 版本开始提供了 SCAN 系列操作（包括 HSCAN，SSCAN 和 ZSCAN），这类操作实现了渐进式遍历，每次只返回有限数量的数据。这样一来，相比于 HGETALL、SMEMBERS 这类操作来说，就避免了一次性返回所有元素而导致的 Redis 阻塞。

第三，统计操作，是指集合类型对集合中所有元素个数的记录，例如 LLEN 和 SCARD。这类操作复杂度只有 O(1)，这是因为当集合类型采用压缩列表、双向链表、整数数组这些数据结构时，这些结构中专门记录了元素的个数统计，因此可以高效地完成相关操作。

第四，例外情况，是指某些数据结构的特殊记录，例如压缩列表和双向链表都会记录表头和表尾的偏移量。这样一来，对于 List 类型的 LPOP、RPOP、LPUSH、RPUSH 这四个操作来说，它们是在列表的头尾增删元素，这就可以通过偏移量直接定位，所以它们的复杂度也只有 O(1)，可以实现快速操作。

六、总结

Redis 的底层数据结构，这既包括了 Redis 中用来保存每个键和值的全局哈希表结构，也包括了支持集合类型实现的双向链表、压缩列表、整数数组、哈希表和跳表这五大底层结构。

Redis 之所以能快速操作键值对，一方面是因为 O(1) 复杂度的哈希表被广泛使用，包括 String、Hash 和 Set，它们的操作复杂度基本由哈希表决定，另一方面，Sorted Set 也采用了 O(logN) 复杂度的跳表。不过，集合类型的范围操作，因为要遍历底层数据结构，复杂度通常是 O(N)。

这里，建议是：用其他命令来替代，例如可以用 SCAN 来代替，避免在 Redis 内部产生费时的全集合遍历操作。

当然，不能忘了复杂度较高的 List 类型，它的两种底层实现结构：双向链表和压缩列表的操作复杂度都是 O(N)。

因此，建议是：因地制宜地使用 List 类型。例如，既然它的 POP/PUSH 效率很高，那么就将它主要用于 FIFO 队列场景，而不是作为一个可以随机读写的集合。Redis 数据类型丰富，每个类型的操作繁多，我们通常无法一下子记住所有操作的复杂度。

所以，最好的办法就是掌握原理，以不变应万变。

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整数数组和压缩列表在查找时间复杂度方面并没有很大的优势，那为什么 Redis 还会把它们作为底层数据结构呢？

1、内存利用率，数组和压缩列表都是非常紧凑的数据结构，它比链表占用的内存要更少。Redis是内存数据库，大量数据存到内存中，此时需要做尽可能的优化，提高内存的利用率。
2、数组对CPU高速缓存支持更友好，所以Redis在设计时，集合数据元素较少情况下，默认采用内存紧凑排列的方式存储，同时利用CPU高速缓存不会降低访问速度。当数据元素超过设定阈值后，避免查询时间复杂度太高，转为哈希和跳表数据结构存储，保证查询效率。

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