一、Redis基本数据结构介绍

本文参考书籍：《Redis开发与运维》

1、Redis的作用

• 共享session
• 计数器
• 排行榜
• 消息队列
• 社交
• 限速
• 缓存
• 分布式锁

2、Redis可执行文件说明

可执行文件	作用
redis-server	启动Redis
redis-cli	Redis命令行客户端
redis-benchmark	Redis基准测试工具
redis-check-aof	Redis AOF持久化文件检测和修复工具
redis-check-dump	Redis RDB持久化文件检测和修复工具
redis-sentinel	启动Redis Sentinel

Redis版本号第二位按奇偶分为开发版本和稳定版本，如2.9、3.1这样就是开发版本，3.0、3.2就是稳定版本

3、Redis对外的数据结构和内部编码

通过object encoding 查询内部编码

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Redis客户端每次执行命令都经过了三个阶段：发送命令、执行命令、返回结果

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因为Redis是单线程执行命令，所以一条命令从客户端到服务端不会立即执行，所有命令都会进入一个队列，然后逐条被执行，不会存在同时执行多条命令的情况。

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Redis单线程架构

Redis使用了单线程架构和I/O多路复用模型来实现高性能的内存数据库服务

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为什么单线程模型性能如此高

• 纯内存访问，Redis将所有数据放在内存中，内存的响应时长大概为100纳秒，这是Redis达到每秒万级别访问的重要基础
• 非阻塞I/O，Redis使用epoll作为I/O多路复用技术的实现，再加上Redis自身的事件处理模型将epoll中的连接、读写、关闭都转换为事件，不用再网络I/O上浪费过多的时间。
• 单线程避免了线程切换和竞态产生的消耗
  • 单线程可以简化数据结构和算法的实现。
  • 单线程避免了线程切换和竞态的消耗
    Redis是面向快速执行场景的数据库，每个命令的执行时间不能过长。

4、Redis基础数据结构

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字符串（string）

字符串是Redis中最基础的数据结构，其他几种数据结构都是在字符串类型的基础上构建的。
字符串的值实际可以是字符串（简单的字符串、复杂的字符串（JSON、XML））、数字（整数、浮点），甚至是二进制（图片、音频、视频），但是值最大不能超过512MB。

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• 字符串的内部编码有三种：
  • int：8个字节的长整形
  • embstr：小于等于39个字节的字符串
  • raw：大于39个字节的字符串
  • Redis会根据当前值的类型和长度决定使用哪种内部编码实现

使用场景：

• 计数器
• 限速
  
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哈希（hash）

哈希类型是指键值本身又是一个键值对结构。
哈希类型中的映射关系叫做field-value，这里的value是指field对应的值，不是键对应的值。

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哈希的内部编码有两种：

• ziplist（压缩列表）
  • 当哈希类型元素个数小于hash-max-ziplist-entries配置（512个）、同时所有值都小于hash-max-ziplist-value配置（64字节）时，Redis会使用ziplist作为哈希的内部实现，ziplist使用更加紧凑的结构实现多个元素的连续存储，所以在节省内存方面比hashtable优秀。
• hashtable（哈希表）
• 当哈希类型无法满足ziplist的条件时，Redis会使hashtable作为哈希的内部实现，因为此时ziplist的读写效率会下降，而hashtable的读写时间复杂度为O（1）。
  当field个数超过512或有value大于64字节，内部编码都会变成hashtable。

使用场景：

可以存储用户信息，使用哈希类型存储会变得更加直观，操作也更加便捷。同样的用户信息存在关系型数据库和Redis中的哈希结构对比：
一、哈希类型是稀疏的，而关系型数据库是完全结构化的。例如：哈希类型每个键都可以有不同的field，而关系型数据库一旦添加新列，所有行都要为其设置值（即使为null）。

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二、关系型数据库可以做复杂的关系查询，而Redis去模拟关系型复杂查询开发困难，维护成本高。

• 哈希类型优点：

  • 简单直观，使用合理可以减少内存空间的使用

• 哈希类型缺点：

  • 要控制哈希在ziplist和hashtable两种内部编码的转换，hashtable会消耗更多内存

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列表（list）：

列表类型是用来存储多个有序的字符串，列表中的每个字符串称为元素（element），一个列表最多可以存储2^32 - 1个元素。

可以对列表两端插入（push）和弹出（pop），还可以获取指定范围的元素列表、获取指定索引下的元素等。

列表是一种比较灵活的数据结构，它可以充当栈和队列的角色。

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列表类型的特点：

• 列表中的元素是有序的
• 列表中的元素可以是重复的

列表的内部编码有两种：

• ziplist（压缩列表）
  • 当元素个数小鱼list-max-ziplist-entries配置（512个），同时列表中每个元素的值都小于list-max-ziplist-value配置（64字节）时，Redis会选用ziplist来作为列表的内部实现来减少内存的使用。
• linkedlist（链表）
  • 当列表类型无法满足ziplist条件时，Redis会使用linkedlist作为列表的内部实现。
    Redis3.2版本提供了quicklist内部编码，它是以一个ziplist为节点的linkedlist，结合了ziplist和linkedlist两者的优势，为列表类型提供了一种更为优秀的内部编码实现。

使用场景：

• 消息队列
  • Redis的lpush+brpop命令组合即可实现阻塞队列，生产者客户端lpush从列表左侧插入元素，多个消费者客户端使用brpop命令阻塞式的“抢”列表尾部的元素，多个客户端保证了消费的负载均衡和高可用性。
  • lpush+brpop=message queue（消息队列）
    
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• 文章列表
  • 每个用户有属于自己的文章列表，现需分页展示文章列表。此刻可以考虑使用列表，因为列表不但是有序的，同时支持按索引范围获取元素。
  • 使用列表类型保存和获取文章列表会存在两个问题：
    • 如果每次分页获取的文章个数多，需要执行多次hgetall操作，此时可以考虑使用pipeline批量获取。
    • 分页获取文章列表时，lrange命令在列表两端性能较好，但是如果列表较大，获取列表中间范围的元素性能会变差，此时可以考虑将列表做成二级拆分，或者使用Redis3.2的quicklist内部编码实现。

实际列表的使用场景很多，在选择时可以参考以下组合：

• lpush+lpop=Stack（栈）
• lpush+rpop=Queue（队列）
• lpush+ltrim=capped collection（有限集合）
  
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集合（set）

集合类型也是用来保存多个的字符串元素，但和列表类型不一样的是，集合中不允许有重复元素，并且集合中的元素是无序的，不能通过索引填表获取元素。

一个集合最多可以存储2^32 - 1个元素。Redis除了支持集合内的增删改查，同时还支持多个集合取交集、并集、差集。

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集合类型的内部编码有两种：

• intset（整数集合）
  • 当即和中的元素都是整数且元素个数小于set-max-intset-entries配置（512个）时，Redis会选用intset作用集合的内部实现，从而减少内存的使用。
• hashtable（哈希表）
  • 当集合类型无法满足intset条件时，Redis会使用hashtable作为集合的内部实现。

使用场景：

集合类型比较典型的使用场景是标签（tag）。例如一个用户可能对娱乐、体育比较感兴趣，另一个用户可能对历史、新闻感兴趣，这些兴趣点就是标签。有了这些数据就可以得到喜欢同一个标签的人，以及用户的共同洗好的标签，这些数据对于用于体验以及增强用户黏度比较重要。可以对不同标签的用户做不同类型的推荐。

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代码例子：

• 给用户添加标签

sadd user:1:tags tag1 tag2
sadd user:2:tags tag2 tag3
....
sadd user:n:tags tag5 tag6

• 给标签添加用户

sadd tag1:users user1 user2
sadd tag2:users user2 user3
...

用户和标签的关系应该维护在一个事务里，防止部分命令失败造成的数据不一致。

• 计算用户共同感兴趣的标签

sinter user:1:tags user:2:tag2

使用集合类型的应用场景可以参考如下几点：

• sadd=tagging（标签）
• spop/srandmember=random item（生成随机数，比如抽奖）
• sadd+sinert=social graph（社交需求）
  
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有序集合（zset）

有序集合保留了集合不能重复成员的特性，但有序集合中的元素可以排序。但是它与列表的排序不同，它给每个元素设置一个分数（score）作为排序的依据。

有序集合提供了获取指定分数和元素范围查询、计算成员排名等功能。

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有序集合类型的内部编码有两种：

• ziplist（压缩列表）
  • 当有序集合的元素个数小于zset-max-ziplist-entries配置（128个），同时每个元素的值都小于zset-max-ziplist-value配置（64字节）时，Redis会用ziplist来作为有序集合的内部实现。
• skiplist（跳跃表）
  • 当ziplist条件不满足时，有序集合会使用skiplist作为内部实现。

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使用场景：

有序集合典型的使用场景是排行榜系统。例如：视频网站需要对用户上传视频做排行榜，榜单的维度可能是多个方面的：按时间、按播放量、按获得的赞数等。

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