Redis数据结构之有序集合对象

Redis对象

在了解Redis数据结构的时候我们会学习到简单动态字符串，压缩链表等。
但Redis并没有直接使用这些数据结构来实现键值对数据库，而是基于这些数据结构创建了一个对象系统，这个系统包含字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象这五种类型的对象。Redis使用对象表示键和值，每次新建一个键值对时，我们就创建了两个对象。

有序集合对象

有序集合的编码可以是ziplist或者skiplist。

ziplist编码

ziplist编码的压缩列表对象使用压缩列表作为底层实现，每个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表节点来保存，第一个节点保存元素的成员（member），而第二个元素则保存元素的分值（score）。

压缩列表内的集合元素按分值从小到大进行排序，分值较小的元素被放置在靠近表头的方向，而分值较大的元素则被放置在靠近表尾的方向。

创建一个ziplist编码的有序集合对象

127.0.0.1:6379> zadd price 1 appel 2 banana 3 cherry
(integer) 3
127.0.0.1:6379> type price
zset
127.0.0.1:6379> object encoding price
"ziplist"

它的存储结构如下

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可以看到它是通过ziplist来实现的，ziplist结构适合元素长度较短，元素数量较少的情况。它的优点和缺点都明显，优点是所有数据都在一块内存中，空间利用率高。缺点是查找某个分值的内容时时间仍然为O(n)，插入新的数据也要重新移动原来元素的位置。

skiplist编码

当有序集合的元素很多或是元素的长度很大时，ziplist会自定转码为skiplist。
skiplist顾名思义是通过跳跃表来实现的。

这是一个普通有序链表，假如我们要查找19,则依次同3，7，11，19比较，就查找到19.

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假如我们将链表的部分节点添加一个指针指向下下个节点，如下图所示。我们查找19就只需要比较7，19即可。

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现在好汉元素7的节点有2个指针，这种结构称为2层，同理我们可以继续在节点7上继续添加指针，让它指向跨度更大的节点，变成3层，4层。这样可以有效减少比较的次数。当链表很长时，查找效率的提升就非常可观。

跳跃表的整体结构如下

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Redis中跳跃链表通过两个结构实现，zskiplist和zskiplistNode。

zskiplist

zskiplist保存整个跳跃表的基本信息

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header：指向跳跃表的表头节点。
tail：指向跳跃表的表尾节点。
level：记录目前跳跃表内，层数最大的那个节点的层数（表头节点的层数不计算在内）。
length：记录跳跃表的长度，也即是，跳跃表目前包含节点的数量（表头节点不计算在内）。

zskiplistNode

zskiplistNode就是我们储存的对象信息，它可以是我们要排序的任何数据，可以是个字符串，也可以是个二进制文件

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层（level）：节点中用L1、L2、L3等字样标记节点的各个层，L1代表第一层，L2代表第二层，以此类推。每个层都带有两个属性：前进指针和跨度。前进指针用于访问位于表尾方向的其他节点，而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的距离。在上面的图片中，连线上带有数字的箭头就代表前进指针，而那个数字就是跨度。当程序从表头向表尾进行遍历时，访问会沿着层的前进指针进行。
后退（backward）指针：节点中用BW字样标记节点的后退指针，它指向位于当前节点的前一个节点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。
分值（score）：各个节点中的1.0、2.0和3.0是节点所保存的分值。在跳跃表中，节点按各自所保存的分值从小到大排列。
成员对象（obj）：各个节点中的o1、o2和o3是节点所保存的成员对象。

zskiplist的表头结构，它是一个固定包含32个指针的结构，包含前进指针和跨度，为什么是32？

每次创建一个新跳跃表节点的时候，程序都根据幂次定律（power law，越大的数出现的概率越小）随机生成一个介于1和32之间的值作为level数组的大小，这个大小就是层的“高度”

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我们向一张空的跳跃表新增一个节点o1，节点层数由幂次定律，是1的可能性最大，2次之，依次类推。结果我们运气比较好，生成了一个 层数为4的节点，此时表头的前4层都指向我们新增的节点，它的跨度都为一。

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我们再新增个score为2.0的节点o2，它排在1的后面，它的随机层数是2，此时跳跃表的结构如下。o1节点的L1，L2都指向该节点。

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当我们加入第三个元素score为3.0的节点o3，它随机到5层。此时假如我们要查找一个score为4.0的节点，Redis先从表头跨度最大的层也就是L5开始找，先找到o3，o3的scroe为3.0，小于4.0，继续向o3中L5的前进指针遍历，结果指向null，说明score为4.0的节点并不存在。

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有时候我们对集合的排序并不感兴趣，比如我们要查找o3，通过跳跃表就只能通过遍历所有L1来依次比较，时间复杂度为O(n)，所以真正的skiplist编码的zset对象的结构是这样的，zset额外维护存储所有节点数据的字典，这样当我们不关注排序直接获取元素时它的时间复杂度就只有O(1)，只需要散列一次即可。字典和跳跃表会共享元素的成员和分值，所以并不会造成任何数据重复，也不会因此而浪费任何内存。

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当有序集合对象可以同时满足以下两个条件时，对象使用ziplist编码：
·有序集合保存的元素数量小于128个；
·有序集合保存的所有元素成员的长度都小于64字节；不能满足以上两个条件的有序集合对象将使用skiplist编码。

注意以上两个条件的上限值是可以修改的，具体请看配置文件中关于zset-max-ziplist-entries选项和zset-max-ziplist-value选项的说明。

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