Redis内存优化——ZSet类型介绍及底层原理详解

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前言

Redis是一种高性能的键值型数据库，它支持多种数据结构，其中一种是zset类型。zset类型可以存储一个有序的、不重复的字符串集合，类似于Java中的TreeSet或Python中的sorted set。zset类型的优点是可以对集合进行快速的添加、删除、判断是否存在等操作，以及对集合中的元素按照分值（score）进行排序，分值相同则按照字典序排序。

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ZSet

概述

Redis 中的 zset 是一种有序集合类型，它可以存储不重复的字符串元素，并且给每个元素赋予一个排序权重值（score）。Redis 通过权重值来为集合中的元素进行从小到大的排序。zset 的成员是唯一的，但权重值可以重复。一个 zset 类型的键最多可以存储 2^32 - 1 个元素。

Redis中zset源码

typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;
    double score;
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned long span;
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;

typedef struct zset {
    dict *dict;
    zskiplist *zsl;
} zset;

Redis在存储zset结构的数据，为了达到内存和性能的平衡，针对少量存储和大量存储分别设计了两种结构，分别为：

• redis7.0之前使用的ziplist和skiplist
• redis7.0之后使用的listpack和skiplist

也就是说不论是7.0前后都有两种结构，但是7.0后使用了listpack代替ziplist，这是由于ziplist的连锁更新问题，连锁更新问题请见我另一篇博文：Redis高可用系列——Set类型底层详解。这边博文中详细的解释。

当 zset 中的元素个数和元素值的长度比较小的时候，Redis 使用ziplist/listpack来节省内存空间。当 zset 中的元素个数和元素值的长度达到一定阈值时，Redis 会自动将ziplist/listpack转换为skiplist，以提高操作效率

具体来说，当 zset 同时满足以下两个条件时，会使用 listpack作为底层结构：

• 元素个数小于 zset_max_listpack_entries ，默认值为 128
• 元素值的长度小于zset_max_listpack_value，默认值为 64

当 zset 中不满足以上两个条件时，会使用 skiplist 作为底层结构。

skiplist

跳跃表是一种随机化的数据结构，实质就是一种可以进行二分查找的有序链表。跳跃表在原有的有序链表上面增加了多级索引，通过索引来实现快速查找。跳跃表不仅能提高搜索性能，同时也可以提高插入和删除操作的性能

跳跃表相比于其他平衡树结构，有以下几个优点和缺点：

优点：

• 实现简单，易于理解和调试
• 插入和删除操作只需要修改局部节点的指针，不需要像平衡树那样进行全局调整
• 可以利用空间换时间，通过增加索引层来提高查找效率
• 支持快速的范围查询，可以方便地返回指定区间内的所有元素

缺点：

• 空间复杂度较高，需要额外存储多级索引
• 随机性太强，性能不稳定，最坏情况下可能退化成链表
• 不支持快速的倒序遍历，需要额外的指针来实现

redis的skiplist

skiplist这种数据结构有一个层数上的问题，当层数过多，会影响查询效率。是因为当层数过多，会进行多次IO操作。而Redis 使用了一个随机函数来决定每个节点的层数，这个随机函数的期望值是 1/(1-p) ，其中 p 是一个概率常数，Redis 中默认为 0.25。这样可以保证跳跃表的平均高度为 log (1/p) n ，其中 n 是节点数。Redis 还限制了跳跃表的最大层数为 32 ，这样可以避免过高的索引层造成空间浪费

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总结

Redis Zset类型是一种可以存储一个有序的、不重复的字符串集合的数据结构，它有以下特点：

• 可以对集合进行添加、删除、判断是否存在等操作，时间复杂度都是O (1)
• 可以对集合中的元素按照分值（score）进行排序，分值相同则按照字典序排序
• 可以对多个集合进行交集、并集、差集等操作，并指定分值的聚合方式
• 可以用作排行榜、优先队列、延时任务等场景

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