Redis基础篇

一、从常用数据结构说起

上文说到Redis提供了丰富的数据结构，包括STRING（字符串）、LIST（列表）、SET（集合）、HASH（散列）和ZSET（有序集合）基本数据类型。

先来一波操作感受一下：

基本的数据类型的大概使用就到这里，接下来就分析一下它的内部结构是怎么实现的。

二、底层实现

Redis是KV类型的数据库，Key-Value我们一般会用什么数据结构存储？

哈希表！没错Redis的最外层确实也是通过hashtable实现的。在Redis里面每个键值对都是一个dictEntry，通过指针指向key的存储结构和value的存储结构，此外还有一个next存储里指向下一个键值对的指针。

typedef struct dictEntry {     
void *key; //key void*表示任意类型指针      
union {                           
void      *val;//value定义        
uint64_t  u64;        
int64_t   s64;        
double   d;     
} 
v;     
struct dictEntry *next;   
//next指针 
} 
dictEntry;

看到这里大家会有疑惑，那过期时间放在哪里？

对，实际上在dicEntry的外面还有一层redisDB。

/* Redis数据库结构体 */ 
typedef struct redisDb 
{     
// 数据库键空间，存放着所有的键值对（键为key，值为相应的类型对象）     
dict *dict;                      
// 键的过期时间     
dict *expires;                   
// 处于阻塞状态的键和相应的client（主要用于List类型的阻塞操作）     
dict *blocking_keys;            
// 准备好数据可以解除阻塞状态的键和相应的client     
dict *ready_keys;                
// 被watch命令监控的key和相应client     
dict *watched_keys;              
// 数据库ID标识     int id;     
// 数据库内所有键的平均TTL（生存时间）     
long long avg_ttl;          
} 
redisDb;

外层说完了，接下来就以set hello world为例，逐步分析一下。

首先key是字符串，Redis自己实现了一个字符串类型叫SDS，后面我们会细说，所以hello指向一个SDS的存储结构。value是world，也是一个字符串，是不是也用SDS存储呢？

这里就要重点介绍以下了，由前文我们知道Redis的key都是字符串类型，value的类型有多种。那Redis如何是适配这多种类型呢？于是就封装了一层redisObject。而我们所说的Redis数据类型的任何一种，都是通过redisObject存储的。想学习交流HashMap,nginx、dubbo、Spring MVC,分布式、高性能高可用、MySQL，redis、jvm、多线程、netty、kafka、的加尉xin（同英）：1253431195 扩列获取资料学习，无工作经验不要加哦！

我们来看一下redisObject的结构：

typedef struct redisObject {     
//对象的数据类型，占4bits，共5种类型     
unsigned type:4;             
//对象的编码类型，占4bits，共10种类型     
unsigned encoding:4;     
//least recently used     
//实用LRU算法计算相对server.lruclock的LRU时间     
unsigned lru:LRU_BITS;
 /* lru time (relative to server.lruclock) */     
//引用计数     
int refcount;    
 //指向底层数据实现的指针     
void *ptr; } 
robj;

到这里就能看出一些奇妙的地方了，type是数据类型，encoding是编码类型，且数量不等。有意思了，那我们接下来看看这个encoding究竟是些什么。

127.0.0.1:6379> set number 123

OK

127.0.0.1:6379> object encoding number

“int”

127.0.0.1:6379> set story “long long ago,and long long ago,other long long ago”

OK

127.0.0.1:6379> object encoding story

“raw”

127.0.0.1:6379> set msg “hello world”

OK

127.0.0.1:6379> object encoding msg

“embstr”

到此我们大概看出来一些端倪，Redis的数据类型背后根据存储的数据不同使用的不同的编码存储。为什么要这样做呢？

节约存储空间！

其实远远不止这些，我们后面会详细说到。接下来就看每种数据结构有哪些编码类型。

三、数据结构详解

1、String

上文我们已经分析出了，String底层有三种。

int：存储8个字节的长整形

embstr：代表embsds格式的SDS，存储小于44字节的字符串

raw：存储大于44字节的SDS

接下来问题来了，什么是SDS呢？SDS全称是Simple Dynamic String，即简单动态字符串。

struct __attribute__ ((__packed__)) 
sdshdr8 
{     
uint8_t len; /* 长度 */     
uint8_t alloc; /* 分配的内存大小 */     
unsigned char flags;
 /* 属性，标志不同种类的sds */     
char buf[];/* 内容 */ 
};

本质上就是一个char数组！

那么既然是一个char数组，为什么要通过SDS实现呢？

SDS

很简单，因为C语言中没有字符串类型，只有char数组。但是使用char数组会有一些问题，什么问题呢，大家可以想一下。想学习交流HashMap,nginx、dubbo、Spring MVC,分布式、高性能高可用、MySQL，redis、jvm、多线程、netty、kafka、的加尉xin（同英）：1253431195 扩列获取资料学习，无工作经验不要加哦！

1、必须分配足够的空间，否则可能会溢出

2、如果要获取长度，需要遍历数组，时间复杂度是O(n)

3、如果长度变更，需要重新内存分配

4、字符串规则是遇到第一个’/0’即为结束，因此不能存放二进制的内容

好了，既然有了这些问题，SDS是如何解决的呢？

1、SDS实现了动态扩容，无需担心溢出的问题

2、定义了len属性，获取长度时间复杂度是O(1)

3、通过空间预分配和惰性空间释放，放置了重新分配内存

4、判断结束标志示len属性，避免了二进制不安全

哇，到这里是不是感觉到Redis的编码格式设计的很巧妙。别着急，慢慢来，还有。

embstr和raw，为什么要设计两个编码格式呢？就是为了长度不同吗？SDS也已经满足了呀？

实际原因是embstr的使用，只分配了一次内存，redisObject和SDS是一起分配的，二raw是分配了两次内存

那这三种类型之间是怎么转换的呢？

1、int 不在时整形，转成raw

2、int大小超过long的范围，转成embstr

3、embstr超过44字节，转成raw

注意：不可回转！！！

到此，String的数据结构就介绍完毕了。最后大家都思考一下String的使用场景有哪些？

1、缓存：热点数据，提升检索效率；

2、数据共享：session共享多个服务器共用；

3、分布式锁：setNx方法，判断是否添加成功；

4、全局唯一ID：INT类型的incrby；

5、计数器：INT类型

6、限流：INT类型

哈哈，是不是感觉String好强大，不需要其他数据类型了？那么问题来了，如果我要存一个对象怎么办？举个例子，存一个学生信息，包括姓名、年龄、学号等信息。大家可能会说，String存储一个json就行了，没错可以实现。但是我如果只想获取学生的年龄呢？想学习交流HashMap,nginx、dubbo、Spring MVC,分布式、高性能高可用、MySQL，redis、jvm、多线程、netty、kafka、的加尉xin（同英）：1253431195 扩列获取资料学习，无工作经验不要加哦！

接下来介绍的Hash类型，就是解决这个问题的。

2、Hash

Hash类型是指Redis键值对中的值本身又是一个键值对结构，形如value=[{field1，value1}，…{fieldN，valueN}]，hash的value只能是字符串，不能嵌套其他类型。同样是存储字符串，Hash和String有什么区别呢？如下图所示:

从上图可以明显看出：

1、把所有相关的值聚集到一个key中，节省内存空间

2、只使用一个key，可以有效减少key冲突

3、当需要批量获取值的时候，只需要使用一个命令，减少内存/IO/CPU

那么它的底层编码是如何实现的呢？是不是使用dicEntry实现的呢？我们先来操作一波：

127.0.0.1:6379> hset user1 name aaaaaaaaaaaaaaaaaaa

(integer) 1

127.0.0.1:6379> hset user2 name aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

(integer) 1

127.0.0.1:6379> object encoding user1

“ziplist”

127.0.0.1:6379> object encoding user2

“hashtable”

可以看到，哈希类型的内部编码有两种：ziplist(压缩列表),hashtable(哈希表)。又有两个陌生的结构，不要慌张，我们下文会逐个分析。