Redis基礎數據結構的用法示例

小編給大家分享一下Redis基礎數據結構的用法示例，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

1. 數據類型

其基礎數據類型有String、List、Hash、Set、Sorted  Set，這些都是常用的基礎數據類型，可以看到非常豐富，幾乎能夠滿足大部分的需求了。其實還有一些高級數據結構，我們在這章里暫時先不提，只聊基礎的數據結構。

2. String

String可以說是最基礎的數據結構了，  用法上可以直接和Java中的String掛鉤，你可以把String類型用于存儲某個標志位，某個計數器，甚至狠一點，序列化之后的JSON字符串都行，其單個key限制為512M。其常見的命令為get、set、incr、decr  、mget。

2.1 使用

• get 獲取某個key，如果key不存在會返回空指針

• set 給key賦值，將key設置為指定的值，如果該key之前已經有值了，那么將被新的值給覆蓋

• incr  給當前的key的值+1，如果key不存在則會先給key調用set賦值為0，再調用incr。當然如果該key的類型不能做加法運算，例如字符串，就會拋出錯誤

• decr 給當前key的值-1，其余的同上

• mget 同get，只是一次性返回多條數據，不存在的key將會返回空指針
  

  
  

string相關命令

可能大多數的人只是到用一用的地步，這也無可厚非，但是如果是作為一個對技術有追求的開發，或者說你有想近大廠的想法，一定要有刨根問底的精神。只有當你真正知道一個東西的底層原理時，你遇到問題時才能提供給你更多的思路去解決問題。接下來我們就來聊一下Redis中String底層是如何實現的。

2.2 原理

2.2.1 結構

我們知道Redis是用C語言寫的，但是Redis卻沒有直接使用，而是自己實現了一個叫SDS(Simple Dynamic  String)的結構來實現字符串，結構如下。

struct sdshdr {   // 記錄buf中已使用的字節數量   int len;   // 記錄buf中未使用的字節數量   int free;   // 字節數組，用于保存字符串   char buf[]; }

2.2.2 優點

為什么Redis要自己實現SDS而不是直接用C的字符串呢?主要是因為以下幾點。

• 減少獲取字符串長度開銷  C語言中獲取字符串的長度需要遍歷整個字符串，直到遇到結束標志位\0，時間復雜度為O(n)，而SDS直接維護了長度的變量，取長度的時間復雜度為O(1)

• 避免緩沖區溢出  C語言中如果往一個字節數組中塞入超過其容量的字節，那么就會造成緩沖區溢出，而SDS通過維護free變量解決了這個問題。向buf數組中寫入數據時，會先判斷剩余的空間是否足夠塞入新數據，如果不夠，SDS就會重新分配緩沖區，加大之前的緩沖區。且加大的長度等于新增的數據的長度

• 空間預分配&空間惰性釋放  C語言中，每次修改字符串都會重新分配內存空間，如果對字符串修改了n次，那么必然會出現n次內存重新分配。而SDS由于冗余了一部分空間，優化了這個問題，將必然重新分配n次變為最多分配n次，而數據從buf中移除的時候，空閑出來的內存也不會馬上被回收，防止新寫入數據而造成內存重新分配

• 保證二進制安全 C語言中，字符串遇到\0會被截斷，而SDS不會因為數據中出現了\0而截斷字符串，換句話說，不會因為一些特殊的字符影響實際的運算結果

可以結合下面的圖來理解SDS。

圖片來源于網絡，侵刪

總結一下就是上面列表的四個小標題，為了減少獲取字符串長度開銷、避免緩沖區溢出、空間預分配&空間惰性釋放和保證二進制安全。

3.  List

List也是一個使用頻率很高的數據結構，其涉及到的命令太多了，就不像String那樣一個一個演示了，感興趣的大家可以去搜一搜。命令有lpush、lpushx、rpush、rpushx、lpop、rpop、lindex、linsert、lrange、llen、lrem、lset、ltrim、rpoplpush、brpoplpush、blpop、brpop，其都是對數組中的元素的操作。

3.1 使用

List的用途我認為主要集中在以下兩個方面。

當作普通列表存儲數據(類似于Java的ArrayList)

用做異步隊列

普通列表這個自然不必多說，其中存放的必然業務中需要的數據，下面來著重聊一下異步隊列。

啥玩意，List還能當成隊列來玩?

List除了能被用做隊列，還能當作棧來使用。在上面介紹了很多操作List命令，當我們用rpush/lpop組合命令的時候，實際上就是在使用一個隊列，而當我們用rpush/rpop命令組合的時候，就是在使用一個棧。lpush/rpop和lpush/lpop是同理的。

假設我們用的是rpush來生產消息，當我們的程序需要消費消息的時候，就使用lpop從異步隊列中消費消息。但是如果采用這種方式，當隊列為空時，你可能需要不停的去詢問隊列中是否有數據，這樣會造成機器的CPU資源的浪費。

所以你可以采取讓當前線程Sleep一段時間，這樣的確可以節省一部分CPU資源。但是你可能就需要去考慮Sleep的時間，間隔太短，CPU上下文切換可能也是一筆不小的開銷，間隔太長，那么可能造成這條消息被延遲消費(不過都用異步隊列了，應該可以忽略這個問題)。

除了Sleep，還有沒有其他的方式?

有，答案是blpop。當我們使用blpop去消費時，如果當前隊列是空的，那么此時線程會阻塞住，直到下面兩種condition。

1. 達到設置的timeout時間

2. 隊列中有消息可以被消費

比起Sleep一段時間，實時性會好一點;比起輪詢，對CPU資源更加友好。

3.2  原理

在Redis3.2之前，Redis采用的是ZipList(壓縮列表)或者LinkedList(鏈表)。當List中的元素同時滿足每個元素的小于64字節和List元素個數小于512個時，存儲的方式為ZipList。但凡有一個條件沒滿足就會轉換為LinkedList。

而在3.2之后，其實現變成了QuickList(快速列表)。LinkedList由于是較為基礎的東西，此處就不贅述了。

3.2.1 ZipList

ZipList采用連續的內存緊湊存儲，不像鏈表那樣需要有額外的空間來存儲前驅節點和后續節點的指針。按照其存儲的區域劃分，大致可以分為三個部分，每個部分也有自己的劃分，其詳細的結構如下。

• header ziplist的頭部信息

• zlbytes 標識ziplist所占用的內存字節數

• zltail 到ziplist尾節點的偏移量

• zllen ziplist中的存儲的節點數量

• entries 存儲實際節點的信息

• pre_entry_length 記錄了前一個節點的長度，通過這個值可以快速的跳轉到上一個節點

• encoding 顧名思義，存儲量元素的編碼格式

• length 所存儲數據的長度

• content 保存節點的內容

• end 標識ziplist的末尾

如果采用鏈表的存儲方式，鏈表中的元素由指針相連，這樣的方式可能會造成一定的內存碎片。而指針也會占用額外的存儲空間。而ZipList不會存在這些情況，ZipList占用的是一段連續的內存空間。

但是相應地，ZipList的修改操作效率較為低下，插入和刪除的操作會設計到頻繁的內存空間申請和釋放(有點類似于ArrayList重新擴容)，且查詢效率同樣會受影響，本質上ZipList查詢元素就是遍歷鏈表。

3.2.2 QuickList

在3.2版本之后，list的實現就換成了QuickList。QuickList將list分成了多個節點，每一個節點采用ZipList存儲數據。

4. Hash

其用法就跟Java中的HashMap中一樣，都是往map中去丟鍵值對。

4.1 使用

基礎的命令如下：

• hset 在hash中設置鍵值對

• hget 獲hash中的某個key值

• hdel 刪除hash中某個鍵

• hlen 統計hash中元素的個數

• hmget 批量的獲取hash中的鍵的值

• hmset 批量的設置hash中的鍵和值

• hexists 判斷hash中某個key是否存在

• hkeys 返回hash中的所有鍵(不包含值)

• hvals 返回hash中的所有值(不包含鍵)

• hgetall 獲取所有的鍵值對，包含了鍵和值

其實大多數情況下的使用跟HashMap是差不多的，沒有什么較為特殊的地方。

4.2  原理

hash的底層實現也是有兩種，ZipList和HashTable。但具體采用哪一種與Redis的版本無關，而與當前hash中所存的元素有關。首先當我們創建一個hash的時候，采用的ZipList進行存儲。隨著hash中的元素增多，達到了Redis設定的閾值，就會轉換為HashTable。

其設定的閾值如下：

• 存儲的某個鍵或者值長度大于默認值(64)

• ZipList中存儲的元素數量大于默認值(512)

ZipList上面我們專門簡單分析了一下，理解這個設定應該也比較容易。當ZipList中的元素過多的時候，其查詢的效率就會變得低下。而HashTable的底層設計其實和Java中的HashMap差不多，都是通過拉鏈法解決哈希沖突。具體的可以參考從基礎的使用來深挖HashMap這篇文章。

5. Set

Set的概念可以與Java中的Set劃等號，用于存儲一個不包含重復元素的集合。

5.1 使用

其主要的命令如下，key代表redis中的Set，member代表集合中的元素。

• sadd sadd key member [...] 將一個或者多個元素加入到集合中，如果有已經存在的元素會忽略掉。

• srem srem key member [...]將一個或者多個元素從集合中移除，不存在的元素會被忽略掉

• smembers smembers key返回集合中的所有成員

• sismember dismember key member判斷member在key中是否存在，如果存在則返回1，如果不存在則返回0

• scard scard key返回集合key中的元素的數量

• smove move source destination  member將元素從source集合移動到destination集合。如果source中不包含member，則不會執行任何操作，當且僅當存在才會從集合中移出。如果destination已經存在元素則不會對destination做任何操作。該命令是原子操作。

• spop spop key隨機刪除并返回集合中的一個元素

• srandmember srandmember key與spop一樣，只不過不會將元素刪除，可以理解為從集合中隨機出一個元素來。

• sinter 求一個或者多個集合的交集

• sinterstore sinterstore destination key  [...]與sinter類似，但是會將得出的結果存到destination中。

• sunion 求一個或者多個集合的并集

• sunionstore sunionstore destination key [...]

• sdiff 求一個或者多個集合的差集

• sdiffstore sdiffstore destination key  [...]與sdiff類似，但是會將得出的結果存到destination中。

5.2  原理

我們知道Java中的Set有多種實現。在Redis中也是，有IntSet和HashTable兩種實現，首先初始化的時候使用的是IntSet，而滿足如下的條件時，就會轉換成HashTable。

• 當集合中保存的所有元素都是整數時

• 集合對象保存的元素數量不超過512

上面已經簡單的介紹了HashTable了，所以這里只聊聊IntSet。

5.2.1 IntSet

intset底層是一個數組，既然數據結構是數組，那么存儲數據就可以是有序的，這也使得intset的底層查詢是通過二分查找來實現。其結構如下。

struct intset {   // 編碼方式   uint32_t encoding;   // 集合包含元素的數量   uint32_t length;   // 存儲元素的數組   int8_t contents[]; }

與ZipList類似，IntSet也是使用的一連串的內存空間，但是不同的是ZipList可以存儲二進制的內容，而IntSet只能存儲整數;且ZipList存儲是無序的，IntSet則是有序的，這樣一來，元素個數相同的前提下，IntSet的查詢效率會更高。

6. Sorted

Set其與Set的功能大致類似，只不過在此基礎上，可以給每一個元素賦予一個權重。你可以理解為Java的TreeSet。與List、Hash、Set一樣，其底層的實現也有兩種，分別是ZipList和SkipList(跳表)。

初始化Sorted  Set的時候，會采用ZipList作為其實現，其實很好理解，這個時候元素的數量很少，采用ZipList進行緊湊的存儲會更加的節省空間。當期達到如下的條件時，就會轉換為SkipList：

• 其保存的元素數量的個數小于128個

• 其保存的所有元素長度小于64字節

6.1 使用

下面的命令中，key代表zset的名字;4代表score，也就是權重;而member就是zset中的key的名稱。

• zadd zadd key 4 member用于增加元素

• zcard zcard key用于獲取zset中的元素的數量

• zrem zrem key member [...]刪除zset中一個或者多個key

• zincrby zincrby key 1 member給key的權重值加上score的值(也就是1)

• zscore zscore key member用于獲取指定key的權重值

• zrange zrange key 0 -1獲取zset中所有的元素，zrange key 0 -1  withscores獲取所有元素和權重，withscores參數的作用是決定是否將權重值也一起返回。其返回的元素按照從小到大排序，如果元素具有相同的權重，則會按照字典序排序。

• zrevrange zrevrange key 0 -1 withscores，其與zrange類似，只不過zrevrange按照從大到小排序。

• zrangebyscore zrangebyscore key 1 5，返回key中權重在區間(1,  5]范圍內元素。當然也可以使用withscores來將權重值一并返回。其元素按照從小到大排序。1代表min，5代表max，他們也可以分別是**-inf和inf**，當你不知道key中的score區間時，就可以使用這個。還有一個類似于SQL中的limit的可選參數，在此就不贅述。

除了能夠對其中的元素添加權重之外，使用ZSet還可以實現延遲隊列。

延遲隊列用于存放延遲任務，那什么是延遲隊列呢?

舉個很簡單的例子，  你在某個電商APP中下訂單，但是沒有付款，此時它會提醒你，「訂單如果超過1個小時沒有支付，將會自動關閉」;再比如在某個活動結束前1個小時給用戶推送消息;再比如訂單完成后多少天自動確認收貨等等。

用人話解釋一遍，那就是過會才要干的事情。

那ZSet怎么實現這個功能?

其實很簡單，就是將任務的執行時間設置為ZSet中的元素權重，然后通過一個后臺線程定時的從ZSet中查詢出權重最小的元素，然后通過與當前時間戳判斷，如果大于當前時間戳(也就是該執行了)就將其從ZSet中取出。

那，怎么取?

其實我看很多講Redis實現延遲隊列的博客都沒有把這個怎么取講清楚，到底該用什么命令，傳什么參數。我們使用zrangebyscore命令來實現，還記得-inf和inf嗎，其全稱是infinity，分別表示無限小和無限大。

由于我們并不知道延遲隊列當中的score(也就是任務執行時間)的范圍，所以我們可以直接使用-inf和inf，完整命令如下。

zrangescore key -inf inf limt 0 1 withscores

還是有點用，那ZSet底層是咋實現的呢?

上面已經講過了ZipList，就不贅述，下面聊聊SkipList。

6.2 原理

6.2.1 SkipList

SkipList存在于zset(Sorted Set)的結構中，如下：

struct zset {   // 字典   dict *dict;   // 跳表   zskiplist *zsl; }

而SkipList的結構如下：

struct zskiplist {   // 表頭節點和表尾節點   struct zskiplistNode *header, *tail;   // 表中節點的數量   unsigned long length;   // 表中層數最大的節點的層數   int level; }

不知道大家是否有想過，為什么Redis要使用SkipList來實現ZSet，而不用數組呢?

首先ZSet如果數組存儲的話，由于ZSet中存儲的元素是有序的，存入的時候需要將元素放入數組中對應的位置。這樣就會對數組進行頻繁的增刪，而頻繁的增刪在數組中效率并不高，因為涉及到數組元素的移動，如果元素插入的位置是首位，那么后面的所有元素都要被移動。

所以為了應付頻繁增刪的場景，我們需要使用到鏈表。但是隨著鏈表的元素增多，同樣的會出現問題，雖然增刪的效率提升了，但是查詢的效率變低了，因為查詢元素會從頭到尾的遍歷鏈表。所有如果有什么方法能夠提升鏈表的查詢效率就好了。

于是跳表就誕生了。基于單鏈表，從第一個節點開始，每隔一個節點，建立索引。其實也是單鏈表。只不是中間省略了節點。

例如存在個單鏈表 1 3 4 5 7 8 9 10 13 16 17 18

抽象之后的索引為 1 4 7 9 13 17

如果要查詢16只需要在索引層遍歷到13，然后根據13存儲的下層節點(真實鏈表節點的地址)，此時只需要再遍歷兩個節點就可以找到值為16的節點。

所以可以重新給跳表下一個定義，鏈表加多級索引的結構，就是跳表

在跳表中，查詢任意數據的時間復雜度是O(logn)。時間復雜度跟二分查找是一樣的。可以換句話說，用單鏈表實現了二分查找。但這也是一種用空間換時間的思路，并不是免費的。

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