redis系列之数据结构详解（String,List,Hash,Set,Zset）

redis的数据类型的基本使用在 redis系列（一）------基本数据类型以及持久化（RDB、AOF） 中已经讲述了。
链接: https://blog.csdn.net/qq_39188134/article/details/119513301.

String(字符串)

字符串是redis里面最简单的一种数据结构，如图所示，内部就是一个字符数组，redis所有的数据结构都以唯一的key字符串来获取相应的value数据。不同类型的数据结构的差异在于value的结构不一样。
字符串结构使用非常广泛，一个常见的用途就是缓存用户信息，我们将用户信息结构体使用JSON序列化成字符串，然后将序列化后的字符串塞进Redis来缓存，同样取用户信息会经过一次反序列化的过程。

String(字符串) 在redis内部的表示如下图所示：

索引	0	1	2	3	4	5
hello字符串	h	e	l	l	o	w

Redis的字符串是动态字符串，是可以修改的字符串，内部结构的实现类似于Java的ArrayList,采用预分配冗余空间的方式来减少内存的频繁分配，如下图所示：

• redis内部为字符串分配的实际空间capacity一般要高于实际字符串的长度len。
• 字符串长度小于1MB时，扩容都是加倍现有的空间。
• 如果字符串长度长度超过1MB,扩容时只会扩容1MB的空间。
• redis限制字符串长度最大长度为512MB。

String(字符串)与bitmap(位图)

字符串是由多个字符组成，每个字符由字节组成，每个字节由8个bit组成，这便是bitmap（位图）。
例如：
a 的二进制表示是：

索引	0	1	2	3	4	5	6	7
a的二进制	0	1	1	0	0	0	0	1

b的二进制表示是：

索引	0	1	2	3	4	5	6	7
b的二进制	0	1	1	0	0	0	1	0

我们可以通过将b的二进制索引为6对应的1改为0，索引为7对应的0改为1，就可以得到 01100001 也就是a。
具体可以参照ASIIC码表查询具体字符对应的ACII码。

List（列表）

Redis的List（列表）相当于java中的LinkleList即双向链表。
插入和删除快，查询慢。
Redis的列表结构常用来做异步队列，队列结构：右边进，左边出，先进先出，具有顺序性。

List（列表）底层存储

Redis中的List不是一个简单地LinkedList,而是一个称为"快速链表"(quicklist)的结构。

• List元素较少时：使用一块连续的内存存储，这个结构称为ziplist(压缩列表)。
• List元素较多时：会使用quicklist（快速列表），使用不连续的内存来存储数据。

list底层结构如图所示：

Hash（字典）

• Redis中的字典相当于Java中的hashMap,无序字典，如下图所示。
  

• Redis中的字典内部存储的是键值对（key-value），结构上与hashmap一样，都是数组+链表二维结构。第一维的hash的数组位置碰撞时，就会将碰撞的元素使用链表串接起来。如图所示：
  

• Redis中的字典存储的值都是字符串类型，另外他们的rehash的方式不一样，在Java中HashMap在字典很大时，需要一次性全部rehash，非常耗时，Redis为了追求高性能，不能堵塞服务，采用的是渐进式rehash策略。

  • 渐进式rehash会在rehash同时保留新旧两个hash结构，查询时会同时查询两个hash结构，然后在后续的定时任务以及hash操作指令中，循序渐进地将旧hash的内容逐步迁移到新hash结构中，当迁移完成，就会使用新hash代替旧hash。
    

• hash结构的缺点是存储消耗高于单个字符串，使用hash或者字符串需要根据实际情况选择使用。

Set（集合）

• Redis中Set（集合）相当于Java中hashSet,无序且不重复。
• Redis中Set（集合）内部实现相当于一个特殊的HashSet,所有的value都是一个NULL。如图所示：
  

Zset（有序列表）

• Zset是Redis提供的最有趣的数据结构，类似Java中SortSet和HashMap的结合体，一方面它是一个set，保证了value的唯一性，另一方面它又给每一个value赋予一个score，score代表了value的排序权重。内部实现使用了一种叫做" 跳跃列表"的数据结构。
• Zset可以用来排序，例如：存储粉丝列表，value值是粉丝的ID，score是关注时间，可以根据关注时间对粉丝列表进行排序。
• 跳跃列表
  • 跳跃列表的数据结构非常特殊，同时也比较复杂。
  • zset需要支持随机的插入和删除，所以不宜使用数组(数组长度是固定的)，先看下普通单向链表结构：
    
    我们需要将这个链表按照score 值进行排序时，意味着当有新元素需要插入时，要定位到特定位置的插入点，才能保证链表是有序的，通常我们可以通过二分查找法来找到插入点，但是二分查找的对象必须是数组，只有数组才支持快速查找特点位置，链表做不到。
    跳跃列表采用的思想就是层级制，最底层元素都会串联在一起，然后每隔几个元素挑选出一个代表，再将这几个元素使用另外一级指针串起来，然后再在这些代表里面再挑出一个代表，再串起来。如下图所示：
    
    定位插入点时，现在最顶层定位，然后再潜入下一层，一直潜入到最底层找到合适的位置，将新元素插入进去。
    在上图中，value3身兼数职，跳跃列表采用了随机策略决定某个元素可以兼职到第几层，首先L0层概率肯定是100%，而兼职到L1是50%，兼职到L2是25%，以此类推，一直到L31层。