Redis 常见数据类型的使用场景以及底层结构

前言

Redis 是一种基于内存的高性能的键值存储系统，支持多种数据类型、持久化、高可用集群等。在 Redis 中，每种数据类型都有自己独特的底层实现方式，这些实现方式直接影响着 Redis 的性能。本文将介绍 Redis 各种数据类型的使用场景以及底层结构实现方式。

在介绍类型之前，不妨先了解下 Redis 在 C 语言中的结构长什么样？

大概的结构如上图所示（并未列出所有字段，在文末会将具体的 C 语言结构列出），其实 Redis 的所有数据类型都是用同一张外层哈希表（ht[2]）来保存的，通过 key 可以定位这个数据需要保存在 entry 数组的哪个位置，因为 dictEntry 的值是 viod* 表示任意类型（一般为 redisObject），所以不伦是 string、int、ziplist、linkedlist、intset、hashtable、skiplist 等都能支持。

为什么需要定义为 dictht dt[2] 呢？
这里的 ht[2] 数组，一个用来存储正常的数据，另一个是扩容时渐进式 rehash 时使用。由于 redis 扩容需要 rehash，如果一次性把所有的数据都进行 rehash 操作的话会导致线程阻塞，严重影响性能，因此在每次扩容时先把一部分数据先迁移到新的 ht 中，后续再渐进式的迁移，直到全部完成时释放掉旧的 ht。需要注意的是，在访问数据的时候，两个 ht 都需要去查找，新加的数据会被放到新的 ht 中。

---

数据类型构成及使用场景

String类型

String 类型的值最大长度为 512MB，它是 Redis 最简单的数据类型，也是我们用的最多的一种，类似我们平常使用的 HashMap 都是键值对，底层结构实现方式也是最简单的。在 Redis 中，字符串类型的值被实现为一个简单的动态字符串，即 RedisObject 结构体。
这里的 String 并不是所有的都保存为 String，如果保存整数、浮点数，Redis 也只会保存整数、浮点数，并不一定为 String。

使用场景

• 用来做计数器
• 分布式锁
• 当分布式的 HashMap 使用

Hash 类型

Hash 是一个键值对集合，类似于关联数组。哈希表类型的值是一个由多个键值对组成的无序集合。可以快速地查找某个键对应的值，还可以对键值对进行批量操作。
当数量不多时使用 ziplist 实现，键值对也是按照在 ziplist 中的对应顺序去取，如 hmset hkey a 1 b 2，存在 ziplist 的顺序为[a, 1, b, 2] ；当 ziplist 中的元素数量超过 hash-max-ziplist-entries（默认为 512）时，Redis 会将其转换为 hashtable。此外，当哈希表中的某个元素的大小超过 hash-max-ziplist-value（默认为 64 字节）时，Redis 也会将其转换为 hashtable。

使用场景

• 存储对象属性

List 类型

List 数据类型是一种双向链表的结构，支持在链表头部或尾部进行元素的添加、删除和查找，因此它可以用来表示队列或者栈等数据结构。List 的每个节点都存储了一个字符串类型的值，这些节点之间通过指针进行链接，从而形成了一个链表。
当数据量不多时，使用 ziplist 实现，达到一定数量时（list-max-ziplist-entries=512），为了减少更新操作对 ziplist 的影响，会将这些 ziplist 分段，并用 linkedlist 连接。

使用场景

• 消息队列
• 简单的发布订阅

Set 类型

Set 是一种无序的不重复的数据类型，类似于 Java 中的 Set 接口，它能进行稽核的交并差集计算。
如果保存的是整型数据且数据较少（server.set_max_intset_entries=512）时，则使用 intset 来保存，intset 其实就是一个数组，添加时需要判重；当不是整数或者超过数据限制最大值时将使用 Hashtable 实现。

使用场景

• 记录 websocket 连接数
• 记录网站的 IP 白名单、IP 黑名单等
• 社交关系：某个用户的粉丝列表、关注列表、好友列表
• 点赞收藏：存储某个微博的点赞用户 ID、收藏用户 ID

ZSet 类型

ZSet 作用于 Set 类似，只不过它是有序的，可以通过 score 进行排序，可以按照分数去做排名操作。
它的底层在数据量少的时候同样的使用的是 ziplist 达到一定数量后才转为 skiplist。

使用场景

• 通过将 score 设置为时间戳来实现延时队列
• 某网红直播间的排行榜，可以清楚的知道榜一大哥

其他

文章开头说的，Redis 在 C 语言中的结构代码（为了代码顺序好看，不考虑报错）：

typedef struct redisServer {
    redisDb *db;    // 数据库数组
    int dbnum;    // 数据库数量
    dict *commands;    // Redis 命令表
    dict *lua_scripts;    // Lua 脚本缓存
    // ...
} redisServer;

typedef struct redisDb {
    dict *dict;    // 数据库的键值对存储在这里
    dict *expires;    // 存储所有键的过期时间
    dict *blocking_keys;    // 存储被阻塞的键
    dict *ready_keys;    // 存储已经就绪的键
    dict *watched_keys;    // 存储被 WATCH 命令监视的键
    int id;    // 数据库编号
} redisDb;

typedef struct dict {
    dictType *type;             // 类型特定函数
    void *privdata;             // 私有数据
    dictht ht[2];               // 两个哈希表
    long rehashidx;             // 重哈希进度标记
    unsigned long iterators;    // 正在迭代哈希表的迭代器数量
} dict;

typedef struct dictht {
    dictEntry **table;  // 哈希表数组
    unsigned long size; // 哈希表大小
    unsigned long sizemask; // 哈希表大小掩码，用于计算索引值
    unsigned long used; // 已经使用的节点数量
} dictht;

typedef struct DictEntry {
    void *key;    // 指向键的指针
    union {
        void *val;    // 指向值的指针
        uint64_t u64;    // 64 位无符号整数
        int64_t s64;    // 64 位有符号整数
        double d;    // 双精度浮点数
    } v;
    struct DictEntry *next;    // 哈希冲突时使用，指向下一个哈希表节点的指针
} dictEntry;

还有最重要的 redisObject

 typedef struct redisObject {
    unsigned type:4;       // 对象类型，字符串类型，type 值为 0、列表类型，type 值为 1、哈希表类型，type 值为 2、集合类型，type 值为 3
    unsigned encoding:4;   // 对象编码
    // 引用计数
    unsigned lru:LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */
    int refcount;
    void *ptr;             // 指向实际值的指针
} robj;

---

总结

文章一开头就先介绍了 Redis 其实都是通过 key 来共用一张哈希表，不同的数据类型只不过是 val 对应的类型有所区别；并介绍了各种数据类型需要什么数据结构以及在什么使用用哪种，但没有提到很多细节，只是简单的总结；最后给出 c 的结构体源码，这样能够更加清晰的了解他们的存储，但对于类似 ziplist、skiplist 等数据结构这里就不作介绍了，不是本文的重点。