Redis：数据类型

前言

Redis作为应用最广泛的K-V数据库，包含了丰富的数据类型。这里所说的数据类型，其实是指V的数据类型。

Redis的数据类型大致分为以下几类：String、Hash、List、Set、Sorted Set、HyperLogLog、Geo。

本篇主要讲解前五种常用的数据类型，在讲解数据类型之前，先看一下Redis相关的帮助命令。学会使用这些命令，能够帮我们快速的了解Redis

前置命令

启动Redis客户端

./redis-cli

启动成功后，测试Redis是否可用

127.0.0.1:6379> ping
PONG

获取帮助

直接输入help指令，会出现如下提示

127.0.0.1:6379> help
redis-cli 5.0.8
To get help about Redis commands type:
     "help @" to get a list of commands in <group>
     "help " for help on <command>
     "help " to get a list of possible help topics
     "quit" to exit

To set redis-cli preferences:
     ":set hints" enable online hints
     ":set nohints" disable online hints
Set your preferences in ~/.redisclirc

根据提示可以知道输入help @可以获取group中的命令列表。例如要查询一些通用命令，操作如下（仅列出部分命令）

127.0.0.1:6379> help @generic

 DEL key [key ...]
 summary: Delete a key
 since: 1.0.0

 DUMP key
 summary: Return a serialized version of the value stored at the specified key.
 since: 2.6.0

 EXISTS key [key ...]
 summary: Determine if a key exists
 since: 1.0.0

 EXPIRE key seconds
 summary: Set a key's time to live in seconds
 since: 1.0.0
 ......

如果不知道有哪些group，可以直接输入help @然后按tab键，就可以自动补全group的名称

输入help 可以直接获取对应命令的帮助，例如要获取keys指令的帮助，可以输入

127.0.0.1:6379> help keys

  KEYS pattern
  summary: Find all keys matching the given pattern
  since: 1.0.0
  group: generic

查看类型

使用命令

type key

可以查看key对应value的类型

127.0.0.1:6379> set hello world
OK
127.0.0.1:6379> type hello
string

数据类型

string

Redis的string类型是对外的类型，对内会根据不同的值采取不同的编码方式。普通的短字符串会用embstr的方式进行编码，如果是数值类型，会用int进行编码，如果是长字符串（44个字节为界），会采用raw的方式进行编码。

命令OBJECT可以查看Redis内部对数据的处理，例如查看数据的编码

127.0.0.1:6379> set xx abcd
OK
127.0.0.1:6379> set yy 1234
OK
127.0.0.1:6379> set zz abcdefghijklmnopqrstuvwxyzabcdefghijklmnopqrs
OK
127.0.0.1:6379> type xx
string
127.0.0.1:6379> type yy
string
127.0.0.1:6379> type zz
string
127.0.0.1:6379> object encoding xx
"embstr"
127.0.0.1:6379> object encoding yy
"int"
127.0.0.1:6379> object encoding zz
"raw"

根据执行结果可以看出xx、yy、zz的类型都是string，但是内部编码不一样。

string最Redis基本的数据类型，Redis没有直接使用C语言传统的字符串表示方法（以空字符结尾的字符数组），而是自己构建了简单动态字符串（Simple Dynamic string， SDS），并将SDS作为Redis默认字符串表示。string是二进制安全的，可以包含任意类型的数据，最大为512MB。定义的结构体如下：

struct sdshdr {
    int len; // 记录buf数组大小
    int free; // 记录buf数组还有多少可用空间
    char buf[]; // 字符串实体，保存字符串的内容
};

因为有了对字符串长度定义len，所以在处理字符串时候不会以零值字节(\0)为字符串结尾标志。
二进制安全就是输入任何字节都能正确处理，即使包含零值字节。

由于string类型的数据都是按照二进制存储的，所以Redis还提供了一些按位（bit）来操作string数据的命令，如下所示（仅列出与bit操作相关命令）

127.0.0.1:6379> help @string

  BITCOUNT key [start end]
  summary: Count set bits in a string
  since: 2.6.0

  BITFIELD key [GET type offset] [SET type offset value] [INCRBY type offset increment] [OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL]
  summary: Perform arbitrary bitfield integer operations on strings
  since: 3.2.0

  BITOP operation destkey key [key ...]
  summary: Perform bitwise operations between strings
  since: 2.6.0

  BITPOS key bit [start] [end]
  summary: Find first bit set or clear in a string
  since: 2.8.7

  GETBIT key offset
  summary: Returns the bit value at offset in the string value stored at key
  since: 2.2.0

  SETBIT key offset value
  summary: Sets or clears the bit at offset in the string value stored at key
  since: 2.2.0

首先看下SETBIT命令，该命令的作用是给key对应的值的偏移（offset）设置一个bit的值，先来看下使用方式

127.0.0.1:6379> setbit hello 1 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> get hello
"@"
127.0.0.1:6379> strlen hello
(integer) 1

setbit hello 1 1命令就是在offerset为1的bit处，把值设置成1（因为是二进制，所以只能设置成0或者1）。01000000转换成10进制是64，64是ASCII码，对应的字符正是@符号（Linux命令man ascii可以查看ascii码表）

接着继续操作

127.0.0.1:6379> setbit hello 9 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit hello 14 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> get hello
"@B"
127.0.0.1:6379> strlen hello
(integer) 2

setbit hello 9 1
setbit hello 14 1

这两条命令分别在offerset为9和14的地方把值改成了1，由于超过了一个byte的位数，所以需要两个byte。两个byte分别代表ASCII值的64和66，也就是@和B。
理解了setbit，自然就理解了getbit，此处不再赘述。

再看下BITPOS命令，该命令描述如下

BITPOS key bit [start] [end]
summary: Find first bit set or clear in a string
since: 2.8.7

这个命令的作用是查找二进制的某个值（只能是0或者1），在[start, end]区间第一次出现的位置，这个start和end都是以字节为单位（比如[1, 2]是指在第二个字节和第三个字节中查找，从0开始计数），具体使用方式如下（继续上面的操作）

127.0.0.1:6379> bitpos hello 1 0 0
(integer) 1
127.0.0.1:6379> bitpos hello 1 1 1
(integer) 9

bitpos hello 1 0 0表示在hello这个key对应的value中的第0个字节到第0个字节（也就是只查找第0个字节）查找二进制数1。还是看这张图

第0个字节就是01000000，查找1所在的位置，偏移量就是1（从0开始）。而bitpos hello 1 1 1是在第1个字节中查找二进制1，偏移量就是9。

接着再看BITCOUNT命令，该命令描述如下

BITCOUNT key [start end]
summary: Count set bits in a string
since: 2.6.0

这个命令的作用就是统计某个key对应的value的指定字节范围内，二进制1出现的次数，start和end都是以字节（byte）为单位。具体使用如下（继续上面的操作）

127.0.0.1:6379> bitcount hello 0 0
(integer) 1
127.0.0.1:6379> bitcount hello 0 1
(integer) 3
127.0.0.1:6379> bitcount hello 1 1
(integer) 2

二进制1，在第0个字节出现了1次，在第0个和第1个字节出现了3次，在第1个字节出现了2次。所以结果分别是1、3、2。

以上几个关于bit操作的命令都是操作一个key的，接下来再看可以操作多个key的BITOP，该命令描述如下

BITOP operation destkey key [key ...]
summary: Perform bitwise operations between strings
since: 2.6.0

改命令的作用就是在多个key之间进行位运算

127.0.0.1:6379> setbit xx 1 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit xx 2 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit yy 1 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit yy 3 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> get xx
"`"
127.0.0.1:6379> get yy
"P"
127.0.0.1:6379> bitop and andkey xx yy
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get andkey
"@"
127.0.0.1:6379> bitop or orkey xx yy
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get orkey
"p"

首先根据前面关于SETBIT的知识可以知道，四条SETBIT命令执行完成后，xx和yy对应的值的二进制分别可以表示成如下形式

bitop and andkey xx yy命令会把这两个值进行按位与操作，并把结果赋值给andkey。
bitop or orkey xx yy命令会把这两个值进行按位或操作，并把结果赋值给orkey。
图解过程如下

根据图示可以知道addkey和orkey的值分别为01000000和01110000，转换成十进制分别是64和112。再根据ASCII码表就可以知道分别代表@和小写字母p。

list

list是有序可重复列表的意思，底层采用双向链表实现，结构如下

了解了内部结构，再来看list相关的命令就简单了。list相关的命令可以分为几类，利用这些命令，可以用list来实现栈（stack）、队列（queue）、阻塞队列（blocking queue）、数组（array）等结构

首先来实现栈

127.0.0.1:6379> lpush hello a b c d
(integer) 4
127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
1) "d"
2) "c"
3) "b"
4) "a"
127.0.0.1:6379> lpop hello
"d"
127.0.0.1:6379> lpop hello
"c"
127.0.0.1:6379> lpop hello
"b"
127.0.0.1:6379> lpop hello
"a"

lpush hello a b c d表示向以hello为key的list中依次放入a、b、c、d四个元素。
lrange hello 0 -1表示打印出hello中的所有元素，0表示从第一个元素开始，-1表示最后一个元素。因为Redis是支持负索引的，-1表示最后一个元素，-2表示倒数第二个元素，依次类推。放入元素的顺序是a、b、c、d，四个元素均是从左边放入，相当于都是用的头插法。四个元素插入完成后，结构应该如图所示

lpop hello表示弹出hello左边的第一个元素，所以弹出的顺序依次为d、c、b、a。因为插入的顺序是abcd，而弹出的顺序是dcba，这样就实现了栈（stack）的功能。利用rpush和rpop也是同理，不过rpush使用的是尾插法。

接下来实现队列（queue）的功能

127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
(empty list or set)
127.0.0.1:6379> lpush hello a b c d
(integer) 4
127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
1) "d"
2) "c"
3) "b"
4) "a"
127.0.0.1:6379> rpop hello
"a"
127.0.0.1:6379> rpop hello
"b"
127.0.0.1:6379> rpop hello
"c"
127.0.0.1:6379> rpop hello
"d"

可以看到元素进入的顺序是abcd，弹出的顺序也是abcd。利用lpush和rpop就实现了类似队列先进先出（FIFO）的功能，同理利用rpush和lpop也能实现先进先出（FIFO）的功能。

另外，list还提供了三个阻塞式的命令

127.0.0.1:6379> help @list

  BLPOP key [key ...] timeout
  summary: Remove and get the first element in a list, or block until one is available
  since: 2.0.0

  BRPOP key [key ...] timeout
  summary: Remove and get the last element in a list, or block until one is available
  since: 2.0.0

  BRPOPLPUSH source destination timeout
  summary: Pop a value from a list, push it to another list and return it; or block until one is available
  since: 2.2.0

操作和之前的命令一样，只是当没有可用元素时，会被阻塞。

除此之外，list还提供了一系列关于索引的操作

127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
(empty list or set)
127.0.0.1:6379> lpush hello a b c d
(integer) 4
127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
1) "d"
2) "c"
3) "b"
4) "a"
127.0.0.1:6379> lindex hello 1
"c"
127.0.0.1:6379> lset hello 0 x
OK
127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
1) "x"
2) "c"
3) "b"
4) "a"
127.0.0.1:6379> linsert hello after c y
(integer) 5
127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
1) "x"
2) "c"
3) "y"
4) "b"
5) "a"
127.0.0.1:6379> llen hello
(integer) 5

lindex hello 1查看下标为1的值
lset hello 0 x把下标为0的值改为x
linsert hello after c y在元素c的后面插入元素y
llen hello查看list的长度

除此之外，list还提供了删除命令lrem和ltrim

127.0.0.1:6379> lpush hello a b a c a b
(integer) 6
127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
1) "b"
2) "a"
3) "c"
4) "a"
5) "b"
6) "a"
127.0.0.1:6379> lrem hello 2 a
(integer) 2
127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
1) "b"
2) "c"
3) "b"
4) "a"
127.0.0.1:6379> ltrim hello 1 -2
OK
127.0.0.1:6379> lrange hello 0 -1
1) "c"
2) "b"

lrem hello 2 a是从左向右删除2个a元素
ltrim hello 1 -2是删除索引小于1或者索引大于-2的所有元素，即只保留中间部分，删除首尾数据。

hash

redis中的hash类型主要用来存储一些类似对象的结构，常用操作如下

127.0.0.1:6379> hset student name sicimike
(integer) 1
127.0.0.1:6379> hmset student id 1001 age 18
OK
127.0.0.1:6379> hget student id
"1001"
127.0.0.1:6379> hmget student name age
1) "sicimike"
2) "18"

hset指令用于往key对应的value（student对象）插入一个属性和值，hmset用于同时插入多个
hget用于获取student对象中的某个属性值，hmget表示同时获取多个

127.0.0.1:6379> hkeys student
1) "name"
2) "id"
3) "age"
127.0.0.1:6379> hvals student
1) "sicimike"
2) "1001"
3) "18"
127.0.0.1:6379> hgetall student
1) "name"
2) "sicimike"
3) "id"
4) "1001"
5) "age"
6) "18"

hkeys、hvals和hgetall分别表示获取student对象的所有属性名称、所有属性的值、所以属性名称和值。

127.0.0.1:6379> hincrby student age 2
(integer) 20
127.0.0.1:6379> hget student age
"20"
127.0.0.1:6379> hincrby student age -2
(integer) 18
127.0.0.1:6379> hget student age
"18"

hincrby用来给student对象的某个属性值加上指定的值，如果加上的是负数，相当于减法。

set

set是无序不重复的集合，和java集合中的Set差不多，常用操作如下

127.0.0.1:6379> sadd key1 a b a c d
(integer) 4
127.0.0.1:6379> SMEMBERS key1
1) "d"
2) "b"
3) "a"
4) "c"

sadd用于往集合中添加元素，支持同时添加多个
smembers用于返回集合中的所有元素

127.0.0.1:6379> srem key1 a c
(integer) 2
127.0.0.1:6379> SMEMBERS key1
1) "d"
2) "b"

srem用于从集合中删除指定元素

以上的操作都是针对一个set集合的，下面是关于多个集合的求交集、并集、差集。

127.0.0.1:6379> sadd key2 a b c d e
(integer) 5
127.0.0.1:6379> sadd key3 c d e f g
(integer) 5
127.0.0.1:6379> SINTER key2 key3
1) "d"
2) "c"
3) "e"
127.0.0.1:6379> SINTERSTORE destkey key2 key3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> SMEMBERS destkey
1) "d"
2) "c"
3) "e"
127.0.0.1:6379> SUNION key2 key3
1) "b"
2) "c"
3) "g"
4) "e"
5) "d"
6) "a"
7) "f"

SINTER、SINTERSTORE两个指令都是求多个集合的交集，不同的是前者会把结果集直接返回给客户端，后者会把结果集存入指定的key。
SUNION是求多个集合的并集

127.0.0.1:6379> sdiff key2 key3
1) "a"
2) "b"
127.0.0.1:6379> sdiff key3 key2
1) "f"
2) "g"

sdiff命令用于求多个集合的差集，差集是有方向的，key的顺序就代表了方向。所以sdiff key2 key3和sdiff key3 key2结果不一样。

除了以上的命令，set还提供了两个获取随机元素的命令SRANDMEMBER和SPOP

先看SRANDMEMBER的命令描述

127.0.0.1:6379> help SRANDMEMBER

  SRANDMEMBER key [count]
  summary: Get one or multiple random members from a set
  since: 1.0.0
  group: set

命令的作用是从set中获取一个或多个随机元素，先来看下相关的操作

127.0.0.1:6379> sadd key4 a b c d e f g
(integer) 7
127.0.0.1:6379> SMEMBERS key4
1) "b"
2) "c"
3) "g"
4) "e"
5) "a"
6) "d"
7) "f"

往set中放入7个元素。

127.0.0.1:6379> SRANDMEMBER key4 5
1) "c"
2) "g"
3) "d"
4) "a"
5) "f"

SRANDMEMBER key4 5表示从7个元素中随机取出5个，不允许重复。

127.0.0.1:6379> SRANDMEMBER key4 10
1) "e"
2) "g"
3) "b"
4) "c"
5) "d"
6) "a"
7) "f"

SRANDMEMBER key4 10表示从7个元素中取出10个，不允许重复。因为set中只有7个元素，所以结果只能取出7个。

127.0.0.1:6379> SRANDMEMBER key4 -5
1) "b"
2) "b"
3) "a"
4) "b"
5) "d"

SRANDMEMBER key4 -5表示从7个元素中随机取出5个，允许重复，也就说负数代表允许重复。

127.0.0.1:6379> SRANDMEMBER key4 -10
 1) "c"
 2) "d"
 3) "f"
 4) "e"
 5) "d"
 6) "f"
 7) "b"
 8) "c"
 9) "b"
10) "f"

SRANDMEMBER key4 -10表示从7个元素中取出10个，允许重复。因为允许重复，所以可以取出10个。

127.0.0.1:6379> SRANDMEMBER key4 0
(empty list or set)

SRANDMEMBER key4 0表示从set中取出0个元素

再来看SPOP命令，先看SPOP的命令描述

127.0.0.1:6379> help spop

  SPOP key [count]
  summary: Remove and return one or multiple random members from a set
  since: 1.0.0
  group: set

SPOP命令可以从set中删除并返回一个或多个随机元素

127.0.0.1:6379> sadd key4 a b c d e f g
(integer) 7
127.0.0.1:6379> spop key4
"b"
127.0.0.1:6379> spop key4 2
1) "f"
2) "c"
127.0.0.1:6379> spop key4 0
(empty list or set)
127.0.0.1:6379> spop key4 -2
(error) ERR index out of range
127.0.0.1:6379> SMEMBERS key4
1) "g"
2) "e"
3) "a"
4) "d"

从执行结果来看，确实可以删除并返回一个或多个随机元素，并且不支持负数。

sorted_set

除了无序不重复的集合set外，redis还提供了有序不重复的集合sorted_set。sorted_set在添加元素的时候，需要给每个元素设置一个score，这个数值的大小就是元素的排序的依据。下面是关于sorted_set的操作

127.0.0.1:6379> zadd key1 9 zhangsan 4 lisi 7 wangwu
(integer) 3
127.0.0.1:6379> zrange key1 0 -1
1) "lisi"
2) "wangwu"
3) "zhangsan"
127.0.0.1:6379> zrange key1 0 -1 withscores
1) "lisi"
2) "4"
3) "wangwu"
4) "7"
5) "zhangsan"
6) "9"

zadd用于往sorted_set中添加元素
zrange key1 0 -1表示查看所有元素（按照score升序）
zrange key1 0 -1 withscores表示查看所有元素，并且显示对应的score

127.0.0.1:6379> ZREVRANGE key1 0 1 
1) "zhangsan"
2) "wangwu"
127.0.0.1:6379> ZRANGEBYSCORE key1 7 9
1) "wangwu"
2) "zhangsan"

ZREVRANGE key1 0 1命令用于输出score最高的两个元素，是按照score降序的。因为ZREVRANGE是反向遍历的，且不会改变sorted_set的结构。
ZRANGEBYSCORE key1 7 9命令用于输出score大于等于7，且小于等于9的元素

127.0.0.1:6379> zscore key1 lisi
"4"
127.0.0.1:6379> zrank key1 lisi
(integer) 0
127.0.0.1:6379> ZINCRBY key1 2 lisi
"6"
127.0.0.1:6379> zrange key1 0 -1 withscores
1) "lisi"
2) "6"
3) "wangwu"
4) "7"
5) "zhangsan"
6) "9"

zscore命令获取元素的score
zrank命令获取元素的排名（score递增的排名）
ZINCRBY命令给某个元素的score加上指定的值。

以上的命令都是操作单个的sorted_set，除此之外redis还提供了操作多个sorted_set的命令ZUNIONSTORE，先看下命令描述

127.0.0.1:6379> help ZUNIONSTORE

  ZUNIONSTORE destination numkeys key [key ...] [WEIGHTS weight] [AGGREGATE SUM|MIN|MAX]
  summary: Add multiple sorted sets and store the resulting sorted set in a new key
  since: 2.0.0
  group: sorted_set

这个命令就是给多个sorted_set求并集。set的并集很好理解，但是sorted_set涉及到score，求并集时应该怎么处理呢？先看具体的操作

127.0.0.1:6379> zadd key2 30 zhangsan 70 lisi 40 wangwu
(integer) 3
127.0.0.1:6379> zadd key3 40 zhangsan 60 lisi 50 zhaoliu
(integer) 3
127.0.0.1:6379> ZUNIONSTORE destkey 2 key2 key3 
(integer) 4
127.0.0.1:6379> zrange destkey 0 -1 withscores
1) "wangwu"
2) "40"
3) "zhaoliu"
4) "50"
5) "zhangsan"
6) "70"
7) "lisi"
8) "130"

wangwu在key4中没有，zhaoliu在key3中没有，求并集之后会直接放入并集destkey中。对于两个集合都有的zhangsan和lisi，求并集之后，是把他们的score的和放入并集destkey中。

127.0.0.1:6379> ZUNIONSTORE destkey 2 key2 key3 weights 2 0.5 aggregate sum
(integer) 4
127.0.0.1:6379> zrange destkey 0 -1 withscores
1) "zhaoliu"
2) "25"
3) "wangwu"
4) "80"
5) "zhangsan"
6) "80"
7) "lisi"
8) "170"

此处求交集，相比上一条命令，多个weights 2 0.5和aggregate sum。其中aggregate sum就是把两个集合中相同元素的score相加，只是第一条指令省略了aggregate sum。

该条命令的含义如图所示。

127.0.0.1:6379> ZUNIONSTORE destkey 2 key2 key3 aggregate min
(integer) 4
127.0.0.1:6379> zrange destkey 0 -1 withscores
1) "zhangsan"
2) "30"
3) "wangwu"
4) "40"
5) "zhaoliu"
6) "50"
7) "lisi"
8) "60"

理解了上面那条指令，这条也就不难理解了，只是把score求和变成了取最小的score。

sorted_set常用于各种排行榜的实现，无论是排序还是查找sorted_set都非常高效。这种高效得益于底层的数据结构。

sorted_set底层采用跳表（skip list）实现。跳表插入、删除、查找操作的时间复杂度是O(logN)。跳表的基本结构如图所示

跳表的实现是基于有序链表，改进的地方在于跳表除了保存了原始的链表，还在链表上加了多层类似索引的结构。这样使得对链表的操作不需要一个节点一个节点的遍历。

总结

本篇主要讲解了redis五种常用的数据类型，以及部分类型的底层结构。理解redis数据类型，是用好redis的必要条件。

除了常用的五种类型外，redis还提供了hyperloglog和geo两种类型，分别用来做基数统计和地理信息相关的操作。

参考

• https://www.zhihu.com/question/28705562
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/53975333