Redis学习笔记——常用五大数据结构

二、常用五大数据结构

1、五大数据类型适用场景

• 

2、Redis字符串 (String)

1. 简介

   1. String是Redis最基本的类型，一个key对应一个value。
   2. String类型是二进制安全的。意味着 Redis 的 string 可以包含任何数据。比如 jpg图片或者序列化的对象。
   3. String类型是 Redis 最基本的数据类型，一个 Redis 中字符串 value 最多可以是512M.

2. 常用命令

   • 添加键值对：

     • set    
       

     • 

     • *NX：当数据库中key不存在时，可以将key-value添加数据库
       *XX：当数据库中key存在时，可以将key-value添加数据库，与NX参数互斥
       *EX：key的超时秒数
       *PX：key的超时毫秒数，与EX互斥
       

   • 查询对应键值：

     • get  
       

   • 将给定的 追加到原值的末尾

     • append  
       

   • 获得值的长度

     • strlen 
       

   • 只有在 key 不存在时 ，设置 key 的值

     • setnx  
       

   • 将 key 中储存的数字值增1，只能对数字值操作，如果为空，新增值为1

     • incr  
       

   • 将 key 中储存的数字值减1，只能对数字值操作，如果为空，新增值为-1

     • decr  
       

   • 将 key 中储存的数字值增减。自定义步长。

     • incrby / decrby   <步长>
       

     • 原子性

       • 所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；
       • .这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。
       • 在单线程中， 能够在单条指令中完成的操作都可以认为是"原子操作"，因为中断只能发生于指令之间。
       • 在多线程中，不能被其它进程（线程）打断的操作就叫原子操作。Redis单命令的原子性主要得益于Redis的单线程。

   • 同时设置一个或多个 key-value 对

     • mset       .....
       

   • 同时获取一个或多个 value

     • mget    .....
       

   • 同时设置一个或多个 key-value 对，当且仅当所有给定 key 都不存在。

     • msetnx     ..... 
       

   • 原子性，有一个失败则都失败

   • 获得值的范围，类似java中的substring，前包，后包

     • getrange   <起始位置> <结束位置>
       

   • 用 覆写 所储存的字符串值，从 <起始位置> 开始 (索引从0开始)。

     • setrange   <起始位置> 
       

   • 设置键值的同时，设置过期时间，单位秒。

     • setex   <过期时间> 
       

   • 以新换旧，设置了新值同时获得旧值。

     • getset  
       

3. 数据结构

   • String的数据结构为简单动态字符串(Simple Dynamic String，缩写SDS)。是可以修改的字符串，内部结构实现上类似于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。
   • 
   • 如图中所示，内部为当前字符串实际分配的空间capacity一般要高于实际字符串长度len。当字符串长度小于1M时，扩容都是加倍现有的空间，如果超过1M，扩容时一次只会多扩1M的空间。需要注意的是字符串最大长度为512M。

3、Redis列表（List）

1. 简介

   • 单键多值
   • Redis 列表是简单的字符串列表，按照插入顺序排序。你可以添加一个元素到列表的头部（左边）或者尾部（右边）
   • 它的底层实际是个双向链表，对两端的操作性能很高，通过索引下标的操作中间的节点性能会较差。
   • 

2. 常用命令

   • 从左边/右边插入一个或多个值。

     • lpush/rpush      ....
       

   • 从左边/右边吐出一个值。值在键在，值光键亡。

     • lpop/rpop  
       

   • 从列表右边吐出一个值，插到列表左边

     • rpoplpush   
       

   • 按照索引下标获得元素(从左到右)

     • lrange   
       

   • 0左边第一个，-1右边第一个，（0-1表示获取所有）

     • lrange mylist 0 -1
       

   • 按照索引下标获得元素(从左到右)

     • lindex  
       

   • 获得列表长度

     • llen 
       

   • 在的后面插入插入值

     • linsert   before  
       

   • 从左边删除n个value(从左到右)

     • lrem   
       

   • 将列表key下标为index的值替换成value

     • lset   
       

3. 数据结构

   • List的数据结构为快速链表quickList。
   • 首先在列表元素较少的情况下会使用一块连续的内存存储，这个结构是ziplist，也即是压缩列表。
   • 它将所有的元素紧挨着一起存储，分配的是一块连续的内存。
   • 当数据量比较多的时候才会改成quicklist。
   • 
   • 因为普通的链表需要的附加指针空间太大，会比较浪费空间。比如这个列表里存的只是int类型的数据，结构上还需要两个额外的指针prev和next。
   • Redis 将链表和 ziplist 结合起来组成了 quicklist。也就是将多个 ziplist 使用双向指针串起来使用。这样既满足了快速的插入删除性能，又不会出现太大的空间冗余。

4、Redis哈希（Hash）

1. 简介

   • Redis hash 是一个键值对集合。
   • Redis hash是一个string类型的 field 和 value 的映射表，hash特别适合用于存储对象。类似 Java 里面的 Map
   • 用户ID为查找的key，存储的value用户对象包含姓名，年龄，生日等信息，如果用普通的key/value结构来存储，主要有以下2种存储方式：
     1. 每次修改用户的某个属性需要，先反序列化改好后再序列化回去。开销较大。
        • 
     2. 用户ID数据冗余
        • 
   • 通过 key(用户ID) + field(属性标签) 就可以操作对应属性数据了，既不需要重复存储数据，也不会带来序列化和并发修改控制的问题
     • 

2. 常用命令

   • 给集合中的 键赋值

     • hset   
       

   • 从集合取出 value

     • hget  
       

   • 批量设置hash的值

     • hmset     ...
       

   • 查看哈希表 key 中，给定域 field 是否存在。

     • hexists  
       

   • 列出该hash集合的所有field

     • hkeys 
       

   • 列出该hash集合的所有value

     • hvals 
       

   • 为哈希表 key 中的域 field 的值加上增量 1 -1

     • hincrby   
       

   • 将哈希表 key 中的域 field 的值设置为 value ，当且仅当域 field 不存在

     • hsetnx   
       

3. 数据结构

   • Hash类型对应的数据结构是两种：ziplist（压缩列表），hashtable（哈希表）。当 field - value长度较短且个数较少时，使用ziplist，否则使用hashtable。

5、Redis集合（Set）

1. 简介

   • Redis Set 对外提供的功能与 List 类似是一个列表的功能，特殊之处在于Set是可以自动排重的，当你需要存储一个列表数据，又不希望出现重复数据时，Set是一个很好的选择，并且Set提供了判断某个成员是否在一个Set集合内的重要接口，这个也是List所不能提供的。
   • Redis的Set是String类型的无序集合。它底层其实是一个Value为 Null的 Hash表，所以添加，删除，查找的复杂度都是O(1)。
   • 一个算法，随着数据的增加，执行时间的长短，如果是O(1)，数据增加，查找数据的时间不变。

2. 常用命令

   • 将一个或多个 member 元素加入到集合 key 中，已经存在的 member 元素将被忽略

     • sadd    ..... 
       

   • 取出该集合的所有值。

     • smembers 
       

   • 判断集合是否为含有该值，有1，没有0

     • sismember  
       

   • 返回该集合的元素个数。

     • scard
       

   • 删除集合中的某个元素。

     • srem  .... 
       

   • 随机从该集合中吐出一个值。

     • spop 
       

   • 随机从该集合中取出n个值。不会从集合中删除 。

     • srandmember  
       

   • 把集合中一个值从一个集合移动到另一个集合

     • smove   value
       

   • 返回两个集合的交集元素。

     • sinter  
       

   • 返回两个集合的并集元素。

     • sunion  
       

   • 返回两个集合的差集元素(key1中的，不包含key2中的)

     • sdiff  
       

3. 数据结构

   • Set 数据结构是 dict 字典，字典是用哈希表实现的。
   • Java中HashSet的内部实现使用的是HashMap，只不过所有的Value都指向同一个对象。Redis的Set结构也是一样，它的内部也使用Hash结构，所有的Value都指向同一个内部值。

6、Redis有序集合Zset（Sorted Set）

1. 简介

   • Redis有序集合Zset与普通集合Set非常相似，是一个没有重复元素的字符串集合。
   • 不同之处是有序集合的每个成员都关联了一个评分（score）,这个评分（score）被用来按照从最低分到最高分的方式排序集合中的成员。集合的成员是唯一的，但是评分可以是重复了 。
   • 因为元素是有序的, 所以你也可以很快的根据评分（score）或者次序（position）来获取一个范围的元素。
   • 访问有序集合的中间元素也是非常快的,因此你能够使用有序集合作为一个没有重复成员的智能列表。

2. 常用命令

   • 将一个或多个 member 元素及其 score 值加入到有序集 key 当中。

     • zadd      …
       

   • 返回有序集 key 中，下标在 之间的元素

     • zrange     [WITHSCORES] 
       

     • 带WITHSCORES，可以让分数一起和值返回到结果集。

   • 返回有序集 key 中，所有 score 值介于 min 和 max 之间(包括等于 min 或 max )的成员。有序集成员按 score 值递增(从小到大)次序排列。

     • zrangebyscore key min max [withscores] [limit offset count]
       

   • 返回有序集 key 中，所有 score 值介于 min 和 max 之间(包括等于 min 或 max )的成员。有序集成员按 score 值递增(从大到小)次序排列

     • zrevrangebyscore key max min [withscores] [limit offset count] 
       

   • 为元素的score加上增量

     • zincrby   
       

   • 删除该集合下，指定值的元素

     • zrem  
       

   • 统计该集合，分数区间内的元素个数

     • zcount   
       

   • 返回该值在集合中的排名，从0开始。

     • zrank  
       

   • 案例：如何利用zset实现一个文章访问量的排行榜？

     • 

3. 数据结构

   • SortedSet(zset)是Redis提供的一个非常特别的数据结构，一方面它等价于Java的数据结构Map，可以给每一个元素value赋予一个权重score，另一方面它又类似于TreeSet，内部的元素会按照权重score进行排序，可以得到每个元素的名次，还可以通过score的范围来获取元素的列表
   • zset底层使用了两个数据结构
     • hash，hash的作用就是关联元素value和权重score，保障元素value的唯一性，可以通过元素value找到相应的score值。
     • 跳跃表，跳跃表的目的在于给元素value排序，根据score的范围获取元素列表。

4. 跳跃表

   • 简介

     • 有序集合在生活中比较常见，例如根据成绩对学生排名，根据得分对玩家排名等。对于有序集合的底层实现，可以用数组、平衡树、链表等。数组不便元素的插入、删除；平衡树或红黑树虽然效率高但结构复杂；链表查询需要遍历所有效率低。Redis采用的是跳跃表。跳跃表效率堪比红黑树，实现远比红黑树简单。

   • 实例

     对比有序链表和跳跃表，从链表中查询出51

     1. 有序链表
        • 
        • 要查找值为51的元素，需要从第一个元素开始依次查找、比较才能找到。共需要6次比较。
     2. 跳跃表
        • 
        • 从第2层开始，1节点比51节点小，向后比较。
        • 21节点比51节点小，继续向后比较，后面就是NULL了，所以从21节点向下到第1层
        • 在第1层，41节点比51节点小，继续向后，61节点比51节点大，所以从41向下
        • 在第0层，51节点为要查找的节点，节点被找到，共查找4次。
        • 从此可以看出跳跃表比有序链表效率要高