Redis五种数据结构原理及应用场景

前言

Redis 是一个开源（BSD许可）的，内存中的数据结构存储系统，它可以用作数据库、缓存和消息中间件； 下面就了解的应用场景及其原理做个总结：

String类型

介绍

存储字符串类型的key-value

常用命令及应用场景

常见命令	命令介绍	应用场景	例
set/get/setex	存储字符串类型的key-value	验证码、幂等性(重复提交判断)、token令牌、 序列化json对象存储	set user:captcha:zhangsan 123456 ex 30/setex user:captcha:zhangsan 30 123456 （张三收到验证码为123456，30s后失效），set user:zhangsan 用户信息json串（用户张三的个人信息）
mset/mget	批量设置key-value	同set/get	mset user:name zhangsan user:age 20 (用户姓名为张三，年龄20)
incr	对key对应的值进行加1操作，并返回新值	统计、计数器、发号器	incr article:123:reading(对id为123的文章阅读量增加1)
incrby	对key对应的值进行加increment操作，并返回新值	同incr	incr article:123:reading 10(对id为123的文章阅读量增加10)
setnx	key如果存在则返回0，不存在则返回1	分布式锁	setnx addr 123(设置地址为123)
getset	设置key的值，并返回key的旧值	状态变更（比如用户下单，可以修改下单状态）	getset addr 567(注意：返回为旧值123)

原理

Redis的字符串是动态字符串，是可以修改的字符串，它的内部表示就是一个字符数组，内部结构的实现类似于Java的ArrayList，它的内部结构是一个带长度信息的字节数组

注意

• 值的长度不能超过512MB
• key的命名规范，不要过长，冒号分割， 业务名:表名:ID

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List

介绍

• 字符串列表，按照插入顺序排序

常用命令及应用场景

常见命令	命令介绍	应用场景	例
lpush/rpush	将一个或多个值插入到列表头部（左边）/（右边）	最新评论列表/非实时榜单（定时计算榜单，如手机日销榜单）	lpush phone:rank:daily iphone13 xiaomi12 huaweiP50 (手机日销榜 第一华为，第二小米12，第三苹果)
lpop/rpop	移除并获取列表最左边/右边一个元素	-	rpop phone:rank:daily （移除key phone:rank:daily最右边一个元素）
llen	获取列表长度	-	llen phone:rank:daily（获取key phone:rank:daily的列表长度）
lindex	通过索引获取列表中元素	-	lindex phone:rank:daily 0 （获取第一个元素）
lrange	获取key对应的list指定下标范围的元素（-1表示所有元素）	-	lrange phone:rank:daily 0 -1 （获取列表所有元素）
brpop	移除并获取列表最右边一个元素（如果没有元素则阻塞）	简单队列	brpop phone:rank:daily 30（监听key phone:rank:daily最右边一个元素，监听时间30S）
lrem	移除元素指定个数	-	lrem phone:rank:daily 1 iphone13（phone:rank:daily队列移除一个iphone13元素）

原理

• 双向链表，插入删除时间复杂度O(1)快,查找为O(n)慢

注意

• 通常添加一个元素到列表的头部（左边）或者尾部（右边）。
• 存储的都是String字符串类型。
• 支持分页操作，高并发项目中，第一页数据都是来源list，第二页和更多信息则是通过数据库加载。
• 一个列表最多可以包含2³²-1个元素(最好不要超过1K)。

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Hash

介绍

• 一个String类型的filed和value的映射表，hash特别适合用于存储对象。

常用命令及应用场景

常见命令	命令介绍	应用场景	例
hset/hget/hgetall	设置/得到 key指定的哈希集中指定字段值	用户个人信息、商品详情	hset product:detail:1 title iphone13(设置id为1的商品详情 其中标题为iPhone13)
hmset/hmget	批量设置/得到 key指定的哈希集中指定字段值	用户个人信息、商品详情	hset product:detail:1 title iphone13 price 6999 stock 10(设置id为1的商品详情 其中标题为iPhone13,价格为6999，库存为10件)
hincrby	增加key指定的hash集中指定字段数值	购物车增加或减少	hincrby product:detail:1 stock 1（id为1的商品增加一件库存）
hdel	从key指定的hash集中移除指定域	-	hdel product:detail:1 stock（移除id为1的商品的库存信息）
hexists	返回hash里边field是否存在（存在是1，不存在未0）	-	hexists product:detail:1 stock （id为1的商品库存信息是否存在）

原理

• 哈希对象的编码有两种，分别是：ziplist（见下文补充）、hashtable。

• 当哈希对象保存的键值对数量小于 512，并且所有键值对的长度都小于 64 字节时，使用ziplist(压缩列表)存储；否则使用 hashtable 存储。

如何解决hash冲突

• Redis 采用了渐进式 rehash 策略.这也是 hash 中最重要的部分。
• redis在扩容的时候执行 rehash 策略会保留新旧两个 hashtable 结构，查询时也会同时查询两个 hashtable.Redis会将旧 hashtable 中的内容一点一点的迁移到新的 hashtable 中,当迁移完成时,就会用新的 hashtable 取代之前的.当 hashtable 移除了最后一个元素之后,这个数据结构将会被删除。
• 正常情况下,当 hashtable 中元素的个数等于数组的长度时,就会开始扩容,扩容的新数组是原数组大小的 2 倍.如果 Redis 正在做 bgsave(持久化) 时,可能不会去扩容,因为要减少内存页的过多分离(Copy On Write).但是如果 hashtable 已经非常满了,元素的个数达到了数组长度的 5 倍时,Redis 会强制扩容。
• 当hashtable 中元素逐渐变少时,Redis 会进行缩容来减少空间占用,并且缩容不会受 bgsave 的影响,缩容条件是元素个数少于数组长度的 10%。

注意

• 每个hash可以存储2³² -1键值对（40多亿）

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Set

介绍

将一个或多个成员元素加入到集合中，已经存在于集合的成员元素将被忽略

常用命令及应用场景

常见命令	命令介绍	应用场景	例
sadd	添加一个或多个元素到集合key中，如果已经在集合key中则忽略	去重、社交应用关注、粉丝、用户标签	sadd user:1:tags:hangzhou(id为1的用户来自杭州)
scard	返回集合存储key的基数	粉丝数量、统计网站PV、UV、IP数	scard user:1:fans 用户id为1的粉丝数量为多少
sdiff	返回两个集合的差集	商品推荐	sdiff user:1:tags user:2:tags（用户id为1的与用户id为2的标签差集）
sinter	返回指定所有集合的成员交集	共同好友、共同关注	sinter user:1:tags user:2:tags（用户id为1的与用户id为2的标签交集）
sismember	判断是否是集合中成员	-	sismember user:1:tags:hangzhou (user:1:tags中是否存在hangzhou标签)
srem	移除key集合指定元素	-	srem user:1:tags:hangzhou（移除user:1:tags中标签hangzhou）
sunion	返回多个集合的并集	-	sunion user:1:tags user:2:tags（用户id为1的与用户id为2的标签并集）

原理

集合是通过哈希表实现的，所以添加，删除，查找的复杂度都是 O(1)。

注意

• 集合是通过哈希表来实现的

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SortedSet

介绍

• 用于将一个或多个元素及其分数值加入到有序集当中。
• 如果某个成员已存在，那么更新这个分值。

常用命令及应用场景

常见命令	命令介绍	应用场景	例
zadd	向有序集合添加一个或多个成员	实时排行榜（商品热销榜、积分榜）	zadd shop:rank 90 iphone 80 huawei（商品排行榜iPhone第一，华为第二）
zcard	获取有序集合的成员数	榜单数量	zcard shop:rank（获取集合shop:rank数量）
zcount	计算有序集合中指定区间分数的成员数	统计数量	zcount shop:rank 80 90（返回销量为80-90的品牌数）
zincrby	有序集合中对指定成员的分数加上增量	实时增加销量	zincrby shop:rank 10 huawei（华为手机销量增加10）
zrange/zrevrange	通过索引区间返回有序集合指定区间内的成员,分数值递增（从小到大）/（从大到小）	榜单排名	zrange shop:rank 0 -1（返回商品榜单）
zrevrank/zrank	返回集合中成员排第几（从大到小）/（从小到大）	榜单具体排名情况	zrevrank shop:rank iphone
zrem	删除集合中一个或多个元素	-	zrem shop:rank iphone huawei(移除商品排行榜中苹果和华为)
zscore	返回集合中成员分数值	查看具体某个商品积分	zscore shop:rank iphone（查看iPhone手机销量）

原理

• 底层使用Ziplist压缩列表和"跳跃表"两种存储结构

注意

如果重复添加相同的数据，score的值将被反复覆盖，保留最后一次修改的结果。

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补充

跳跃表简单介绍

举例：
比如找78
正常 1-> 4->7->13->16->25->57->78 8次
跳跃表如图 1->7->16->57->79（发现比78小，又没找到；往下一层走）->78 6次
如果数据量大速度提升则更明显

压缩表简单介绍

举例：
我们知道,数组要求每个元素的大小相同,如果我们要存储不同长度的字符串,那我们就需要用最大长度的字符串大小作为元素的大小(假设是20个字节)。存储小于 20 个字节长度的字符串的时候，便会浪费部分存储空间。

数组的优势占用一片连续的空间可以很好的利用CPU缓存访问数据。如果我们想要保留这种优势，又想节省存储空间我们可以对数组进行压缩。

但是这样有一个问题，我们在遍历它的时候由于不知道每个元素的大小是多少，因此也就无法计算出下一个节点的具体位置。这个时候我们可以给每个节点增加一个lenght的属性。

如此。我们在遍历节点的之后就知道每个节点的长度(占用内存的大小)，就可以很容易计算出下一个节点再内存中的位置。这种结构就像一个简单的压缩列表了。