Redis（一）原理及基本命令（柔性数组）

Redis系列文章

Redis（一）原理及基本命令（柔性数组）
Redis（二）网络协议和异步方式（乐观锁&悲观锁）
Redis（三）存储原理与数据模型（hash冲突、渐进式rehash）
Redis跳表

---

前言

Redis 是 Remote Dictionary Service 的简称，被称为远程字典服务；redis客户端和服务端是基于TCP建立网络通信的。
Redis 是内存数据库（保存在内存而不是磁盘），是目前市面上高性能的key-value数据库；底层的数据结构就是hash，因此查找数据的复杂度为O(1);

Redis属于非关系型数据库，用键值来存储。类似于哈希表数据结构。和MySQL这类关系型数据库是不一样的。参考MySQL（一）基本架构、SQL语句操作、试图

---

一、redis安装使用

安装

git clone https://gitee.com/mirrors/redis.git -b 6.2
cd redis
make
make test
make install

默认安装在 /usr/local/bin
redis-server 是服务端程序
redis-cli 是客户端程序

启动

mkdir redis-data
# 把redis文件夹下 redis.conf 拷贝到 redis-data # 修改 redis.conf
# requirepass 修改密码 123456
# daemonize yes
cd redis-data
redis-server redis.conf
# 通过 redis-cli 访问 redis-server
redis-cli -h 127.0.0.1 -a 123456

二、redis结构

redis是key-value的结构
key是字符串
value有几种常用的数据结构，如string、list、hash、set、zset

字符串string： 是一个安全的二进制字符串；
双端队列 （链表）list：有序（插入有序）；
散列表 hash：对顺序不关注，由（field,value）组成，其中field 是唯一的；
无序集合 set：对顺序不关注，里面的值都是唯一的；
有序集合 zset：对顺序是关注的，里面的值是唯一的；根据 member来确定唯一；根据 score 来确定有序；

字符串

字符串定义

redis中的字符串是一种动态字符串。在C语言中字符串是以’\0’结尾的字符串数组。但在redis中是自己构建一套简单动态字符串(simple dynamic string 简称SDS)。

sds优点：

• 降低获取字符串长度的时间
• 避免缓冲区溢出(增加字符串字符采用扩容再拼接。普通字符串增加字符串的字符由于地址连续会覆盖后面的字符串)
• 降低内存重分配次数（惰性空间释放和空间预分配） 二进制安全

redis源码中sds字符串数据结构：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len; /* used */
    uint8_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
    uint32_t len; /* used */
    uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

sds中字符串分割是以长度len进行分割，不像C语言中字符串用\0做分割符，这样可以保存更多形式的数据。如文本数据，图片、音频、压缩文件等任意格式的二进制数据。

char buf[];是一个柔性数组。使用柔性数组的好处有两个：
1.不需要另起free，结构体free了柔性数组的空间就会释放。
2.初始化不占用空间。
3.申请的内存可以减少内存碎片化。

柔性数组详细内容参考什么是柔性数组

字符串特点

字符串是动态字符串，字符串长度小于1M 时，加倍扩容；超过 1M 每次只多扩 1M；字符串最大长度为 512M；
redis字符串是二进制安全字符串；可以存储图片，二进制协议等二进制数据；

字符串基础命令

# 设置 key 的 value 值
SET key val
# 获取 key 的 value
GET key
# 执行原子加一的操作
INCR key
# 执行原子加一个整数的操作
INCRBY key increment
# 执行原子减一的操作
DECR key
# 执行原子减一个整数的操作
DECRBY key decrement
# 如果key不存在，这种情况下等同SET命令。 当key存在时，什
么也不做
# SETNX 将key设置值为value，如果key不存在，这种情况下等同SET命令。 当key存在时，什么也不做。SETNX是”SET if Not eXists”的简写。
SETNX key value
# 删除 key val 键值对
DEL key
# 设置或者清空key的value(字符串)在offset处的bit值。
SETBIT key offset value
# 返回key对应的string在offset处的bit值
GETBIT key offset
# 统计字符串被设置为1的bit数.
BITCOUNT key

存储结构

字符串长度小于等于 20 且能转成整数，则使用 int 存储；
字符串长度小于等于 44，则使用 embstr 存储；
字符串长度大于 44，则使用 raw 存储；

应用场景

对象存储 累加器 分布式锁 位运算

双端队列 （链表）list

双向链表实现，列表首尾操作（删除和增加）时间复杂度 O(1) ；查找中间元素时间复杂度为O(n) ；

基础命令

# 从队列的左侧入队一个或多个元素
LPUSH key value [value ...]
# 从队列的左侧弹出一个元素
LPOP key
# 从队列的右侧入队一个或多个元素
RPUSH key value [value ...]
# 从队列的右侧弹出一个元素
RPOP key
# 返回从队列的 start 和 end 之间的元素 0, 1 2 负索引
LRANGE key start end
# 从存于 key 的列表里移除前 count 次出现的值为 value 的元素
# list 没有去重功能 hash set zset
LREM key count value
# 它是 RPOP 的阻塞版本，因为这个命令会在给定list无法弹出任何元素的时候阻塞连接
BRPOP key timeout # 超时时间 + 延时队列

应用场景

栈
队列
阻塞队列
异步消息队列
获取固定窗口记录

hash

散列表，unordered_map 通过 key 快速索引 value；

基础命令

# 获取 key 对应 hash 中的 field 对应的值
HGET key field
# 设置 key 对应 hash 中的 field 对应的值
HSET key field value
# 设置多个hash键值对
HMSET key field1 value1 field2 value2 ... fieldn valuen
# 获取多个field的值
HMGET key field1 field2 ... fieldn
# 给 key 对应 hash 中的 field 对应的值加一个整数值
HINCRBY key field increment
# 获取 key 对应的 hash 有多少个键值对
HLEN key
# 删除 key 对应的 hash 的键值对，该键为field
HDEL key field

存储结构

节点数量大于 512（hash-max-ziplist-entries） 或所有字符串长度大于> 64（hash-max-ziplist-value），则使用 dict 实现；
节点数量小于等于 512 且有一个字符串长度小于 64，则使用ziplist 实现；

应用场景

存储对象
购物车

SET

集合；用来存储唯一性字段，不要求有序；

基础命令

# 添加一个或多个指定的member元素到集合的 key中
SADD key member [member ...]
# 计算集合元素个数
SCARD key
# SMEMBERS key
SMEMBERS key
# 返回成员 member 是否是存储的集合 key的成员
SISMEMBER key member
# 随机返回key集合中的一个或者多个元素，不删除这些元素
SRANDMEMBER key [count]
# 从存储在key的集合中移除并返回一个或多个随机元素
SPOP key [count]
# 返回一个集合与给定集合的差集的元素
SDIFF key [key ...]
# 返回指定所有的集合的成员的交集
SINTER key [key ...]
# 返回给定的多个集合的并集中的所有成员
SUNION key [key ...]

存储结构

元素都为整数且节点数量小于等于 512（set-max-intsetentries），则使用整数数组存储；
元素当中有一个不是整数或者节点数量大于 512，则使用字典存储；

应用场景

抽奖
共同关注
推荐好友

zset

有序集合；用来实现排行榜；它是一个有序唯一；

基础命令

# 添加到键为key有序集合（sorted set）里面
ZADD key [NX|XX] [CH] [INCR] score member [score member ...]
# 从键为key有序集合中删除 member 的键值对
ZREM key member [member ...]
# 返回有序集key中，成员member的score值
ZSCORE key member
# 为有序集key的成员member的score值加上增量increment
ZINCRBY key increment member
# 返回key的有序集元素个数
ZCARD key
# 返回有序集key中成员member的排名
ZRANK key member
# 返回存储在有序集合key中的指定范围的元素 order by id limit 1,100
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
# 返回有序集key中，指定区间内的成员(逆序)
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]

存储结构

节点数量大于 128 或者有一个字符串长度大于 64，则使用跳表 （skiplist）；
节点数量小于等于 128（zset-max-ziplist-entries）且所有字符串长度小于等于 64（zset-max-ziplist-value），则使用ziplist 存储；
数据少的时候，节省空间；O(n)
数量多的时候，提升访问性能；O(1)或者O(logn)

应用场景

百度热榜
延时队列
分布式定时器
时间窗口限流