redis数据类型

1、String字符串

1.1、简介

字符串类型是最常用的，底层结构是一个动态字符串，包含3个核心组件：

        第一个，字符数组用于存储字符串，最大不能超过512M；

        第二个，已使用长度，表示字符串真实占用了字符数组的长度；

        第三个，剩余长度，表示字符数组未被使用的长度。

字符数组的长度是动态变化的，当需要扩容时，如果字符串长度小于1M，则会加倍扩大字符数组长度，直到能存下，如果字符串长度超过1M，则会以1M的大小进行扩容，直到能存下。

而缩容是不会主动触发的，只有当key被删除了，字符数组的空间才会被收回，或者当redis重启时，才会将字符数组的长度初始化成实际字符串的长度。

struct sdshdr {         
    // buf 中已占用空间的长度    
    int len;     
    // buf 中剩余可用空间的长度    
    int free;     
    // 数据空间    
    char buf[];
};

  

 

感悟：

        第一，给key设置合理的过期时间，使得redis能够有机会优化内部的存储占用；

        第二，即便字符串的最大存储长度有512M，但是要避免长数据的存储，以免造成大value问题；

        第三，尽量规范业务数据，使得数据之间的长度差距不要太大，避免频繁的扩容，或者浪费剩余空间；

1.2、常用命令

APPEND key value  // 将 value 追加到 key 的值后。

SET key value [EX seconds] [PX milliseconds]  [NX | XX]  // 设置 ，EX 选项表示过期时间，单位秒，PX 表示过期时间，单位毫秒，NX 选项表示 key 不存在时才执行，XX 选项表示 key 存在时才执行。 如果 set key value 中 value 是新值要覆盖旧值，且如果没有指定过期时间的话，即为永久，过期时间也会覆盖。

GET key  // 返回 key 的 value。

STRLEN key // 返回 key 对应的字符串长度。

SETRANGE key offset value   // 用 value 参数覆写(overwrite)给定 key 所储存的字符串值，从偏移量 offset 开始。如果 offset 超出了范围，则原字符串和 offset 之间的空白将由 "\x00" 填充。

SETBIT key offset value  // （以 ascll 码为准）将字符串的 offset 位设置为 value，偏移量从 0 开始，value 只能是 1 或者 0。

GETBIT key offset // 返回字符串的 offset 位上的比特值。

MSETNX key value  key1  value1 ....   //  当所有的 key 都不存在时，才会执行指令。

MSET key value key1 value1 ...  //  设置多个 。

MGET key key2 ...    // 获取多个 key 的 value，如果 key 不存在，则 value 为空。

INCRBYFLOAT key increment   // 给 key 的 value 值加上浮点数 increment，increment 既可以是浮点数，也可以是整数，最多只能表示小数点的后十七位。

INCRBY key increment   // 给 key 的 value 值加上 increment，increment 只能是整数。

INCR key // 自增1。

GETSET key value   // 设置 key 的值为 value， 并且返回 key 的旧值。

GETRANGE key start stop   // 返回 key 的值的 [start，stop] 区间的子串。

DECRBY key decrement  // 将 key 的 value 值减去 decrement， decrement 只能是整数。

DECR key   // 自减 1 。

BITCOUNT key [start] [end]   // 统计 key 的 value 值里有多少个为 1 的比特位。 

BITOP operation destkey key [key ...]  // 对若干个 key 的 value 值进行按位逻辑运算，有 AND 、 OR 、 NOT 、 XOR。

2、Hash 哈希

2.1、简介

Hash数据类型是指 key-value 对的 value 存储的也是一个一个 key-value 对，这种特性适合存储对象，最多存储2^32-1个。

2.2、压缩列表

当对象中的所有键值的长度小于64字节（这个阈值可以通过参数hash-max-ziplist-value 来进行控制）， 对象中的键值对数量小于512个（这个阈值可以通过参数hash-max-ziplist-entries 来进行控制）时，底层用 zipList （压缩列表）结构进行存储，如下图所示。

zlbytes：表示占用总字节数；

zltail：表示尾结点举例起始地址的偏移量；

zllen：entry的数量，即对象的键值对数量；

entry：表示存储的对象的键值对，也分为 key，value；

zlend：尾结点 oxFF，表示压缩列表的结束；

压缩列表结构的优点：存储很紧凑，节省空间；    缺点：只适合存储体积小，量小的哈希对象，因为它对 entry 的查询是线性的，时间复杂度为 O（n）。

2.3、哈希表

当对象中的所有键值的长度不小于64字节，或者键值对数量不小于512个时，底层用 hashtable 结构存储，如下图所示。

table：哈希数组；

size：数组长度；

sizemask：掩码，其和键的哈希值一起被使用，用来计算键应该存储在table数组的哪个位置上，等于 size - 1；

used：已经存储了多少个键值对；

优点：时间复杂度为 O（1）；   缺点：空间使用率低，且扩容机制比较复杂且耗时；

扩容、缩容机制：

负载因子 = used / size；

当服务器目前没有执行BGSAVE或BGREWRITEAOF命令，并且负载因子大于等于1。 或者，当服务器正在执行BGSAVE或BGREWRITEAOF命令，并且负载因子大于等于5。 此时触发扩容；

当负载因子小于0.1时，触发缩容；

扩容是新创建一个数组，长度是原数组长度的2倍，然后将原哈希表里的数据重新哈希计算，然后存储到新的数组中，形成新的哈希表。

缩容是创建一个新数组，长度是原数组的一半，也是将原数据都重哈希存入新哈希表。

重哈希过程，是一个渐进式rehash的过程，当数据量小时，rehash瞬间就完成了，但是当数据量很大时，rehash的执行时间会很久，容易卡顿redis服务，所以redis 采用了渐进式 rehash 方法，在执行其它命令时，顺带完成一条数据的迁移，就这样一点一点地将原数据迁移到新哈希表里，在迁移过程中，如果有新的数据要存入此哈希对象中，那么就存入新哈希表里，如果有查询数据的，就先查询原哈希表，如果没有找到，再查询新哈希表。

思考：为什么扩容的时候要考虑BGSAVE或BGREWRITEAOF命令呢？

个人答案：BGSAVE和BGREWRITEAOF命令会fork出一个子进程， 将redis数据分别以RDB方式、AOF方式持久化到磁盘，关键就在子进程，为了尽快创建出子进程，操作系统一般会让子进程共享父进程的一些内存空间（不用为子进程创建和初始化一份独立的内存空间了）， 但是只以读的方式共享，如果父进程要对某一页内存进行写操作时，操作系统会为子进程完全复制出一页该页内存内容，这就增加了额外的工作了，消耗系统资源和时间，因此，执行BGSAVE或BGREWRITEAOF命令过程中，要尽量减少父进程的写操作，提高扩容的触发条件（负载因子）。

感悟：

第一，当数据量少时，可以考虑使用哈希类型存储，因为数据量非常大时，存在大value问题，且hashtable对内存的使用率不高；

第二，数据量略微大时，且使用了hash结构存储，要考虑这个数据量是否变化差异很大，一会儿剩很少，一会儿增到很多，避免频繁地切换底层存储结构（压缩列表，hashtable），避免频繁的扩容、缩容。

第三，数据量大时，底层使用了hashtable结构，当负载因子非常接近1时，或者在 BGSAVE或BGREWRITEAOF命令期间，非常接近5时，极容易出现较多哈希冲突，形成较多链表，那读性能就会退化。

2.4、常用命令

HSET key field value   //设置哈希对象中的 field 字段值为 value，如果字段 filed 不存在，则就添加，如果字段 field 存在，则更新

HGET key field    //获取哈希对象中的 field 字段值，没有该字段，则返回空。

HMSET key  field1 value1 field2 value2 ....    //一次设置多个<字段名， 字段值>。

HMGET key field1  field2 ...    // 一次获取多个字段的值。

HGETALL key  //获取这个哈希对象的所有<字段名， 字段值>。

HEXISTS key field  //判断哈希对象的该字段是否存在，如果存在，返回1，否则其它情况一律返回0。

HDEL key field1 field2 ....  // 删除哈希对象的相关<字段名， 字段值>。

HINCRBY key field increment   //为哈希表 key 中的域 field 的值加上增量 increment 。增量也可以为负数，相当于对给定域进行减法操作。如果 key 不存在，一个新的哈希表被创建并执行 HINCRBY命令。如果域 field 不存在，那么在执行命令前，域的值被初始化为 0 。对一个储存字符串值的域 field 执行 HINCRBY 命令将造成一个错误。

HINCRBYFLOAT key field increment   //为哈希表 key 中的域 field 的值加上浮点数增量 increment 。

HKEYS key  //获取这个哈希对象的所有字段名 field。

HLEN key  //获取这个哈希对象的所有字段数量。

HSETNX key field value   //若 field 已经存在，则什么都不做，如果不存在，则添加<字段，字段值>。

HVALS key  //获取这个哈希对象的所有字段的值。

HSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count]  //遍历哈希对象的字段，可以设置从什么位置开始遍历，设置正则匹配，每次遍历的元素个数。和 SCAN 命令是一个意思，只是 HSCAN 命令只是针对一个哈希对象遍历的。

3、List 列表

3.1、简介

List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） 一个列表最多可以包含 2^32 - 1 个元素 (4294967295, 每个列表超过40亿个元素)。

当存入列表的任意一个字符串长度都小于 list_max_ziplist_value （默认值为 64 ），并且列表包含的数据量小于 list_max_ziplist_entries （默认值为 512 ）时，列表底层使用压缩列表存储。否则使用双向链表存储，如下图所示。

有一个特殊节点，记录了链表头，链表尾，和链表长度；

其它都是普通链表节点，记录了上一个节点指针，下一个节点指针，和数据值。

优点：可以保持数据的顺序性；

缺点：只适应于队列场景，因为从列表头或者列表尾读写数据的时间复杂度为O（1），但是越往列表中走，时间复杂度越大，所以不适合对列表中的数据进行随机读写。

感悟：列表也不能存在太多的数据，避免大value问题。

 3.2、常用命令

提前说明：关于列表的操作，如果涉及指定下标索引值的参数，非负数表示从左边开始数，负数表示从右边开始数。

LPUSH  key  val0 val1 val2 ....    //如果列表key没有，就会自动创建，从列表的左边依次加入列表

RPUSH key val0 val1 val2 ....   //从列表右边依次加入列表

LPUSHX key value  //向左边列表头插入一个元素，仅仅只能一个元素，如果列表不存在，则什么都不做，返回0，否则插入元素

RPUSHX key value //向右边列表头插入一个元素

LPOP key //获取列表最左边的头元素并将其移除列表

RPOP key //获取列表最右边的头元素并将其移除列表

LLEN key     //查看列表的长度

LRANGE key start  stop  //获取列表中 [start,  stop] 区间的元素，闭区间。 列表从左边数，下标以0开始，从右边数，下标以 -1 开始，正数代表从左边数，负数代表从右边数，比如 0 代表左边第一个元素， -1代表右边第一个元素。

        1、如果 start 和 stop 都是非负数。        

              如果 start <= stop ，则从左边数，获取[start,  stop] 区间的元素。        

              如果 start > stop，则返回空。

        2、如果 start 和 stop 都是负数。        

              如果 start <= stop，则从右边数，获取区间元素，比如 LRANGE key -1  -2  表示获取从右边数的第一个和第二个元素。        

              如果 start > stop， 则返回空。

        3、如果 start 和 stop 一正一负。        

              则看start 的实际位置是否在 stop 的实际位置之前，如果是则返回区间元素， 如果不是，返回空。

LREM key count value  //表示删除列表前 count 个元素中值为 value 的元素。

        1、count > 0  表示从左边数，   

        2、count  < 0 表示从右边数，   

        3、count  = 0  表示列表的全部元素。

BLPOP key1 key2 ...  timeout  //阻塞获取第一个不为空的列表的最左元素，并将该元素移除，如果全为空，则阻塞，直到某个列表有新元素加入，或者直到 timeout 超时时间结束。

        1、timeout = 0 时，表示无限阻塞下去，除非某个列表不为空。

        2、timeout > 0 时，表示超时时间也可以解除阻塞状态，并返回空给客户端。

BRPOP key1 key2 ...  timeout   //阻塞获取第一个不为空的列表的最右元素，和 BLPOP 功能类似。

BRPOPLPUSH  sourcekey  destinationkey  timeout  // 阻塞获取 sourcekey 列表的最右边的元素，timeout 为超时时间，如果能够在超时时间内获取到元素，则将该元素返回给客户端，并将其添加到 destinationkey 列表的最左边，如果从 sourcekey 列表中获取不到元素，则返回给客户端空，并且不做任何其它操作。

RPOPLPUSH  sourcekey  destinationkey  //非阻塞方式获取 sourcekey 列表的最右边的元素，将该元素返回给客户端，并将其添加到 destinationkey 列表的最左边，如果从 sourcekey 列表中获取不到元素，则返回给客户端空，并且不做任何其它操作。

LINDEX key  index //获取下标为 index 的元素。如果 index 超出范围，则返回空，如果 index 为非负数，则从左边数，否则从右边数。

LINSERT key BEFORE|AFTER pivot value  // 将 value 插入 pivot 之前或者之后，如果 key 为空或者不存在，则什么都不做，返回0，如果 key 存在且不为空，pivot 存在，则返回插入后列表长度，如果 pivot 不存在，则什么都不做，返回 -1。

LSET key index value   //将列表的 index 位置处设置为 value 值，成功返回OK，如果 index 超出范围或者列表不存在，则返回错误信息。 

LTRIM key start stop  // 将列表的 [start, stop] 区间保留下来，其它的元素删除，成功返回ok。

 4、Set 集合

4.1、简介

Set 是一个无序集合。集合成员是唯一的，这就意味着集合中不能出现重复的数据，最大可以存储2^32-1个数据。 底层存储结构可是 intset 或者 hashtable。

当集合中所有元素都是整数类型时，且元素数量小于512个时，使用intset结构存储。

否则，使用hashtable结构存储，集合的元素是 hashtable 中的 key，value = null。

4.2、intset 结构

intset 是一个升序的整数数组，包含3个核心组件：

1、contents：int 数组，用于存储集合的数据；

2、length：集合中实际包含的数据量；

3、encoding：编码格式，有三种，INSET_ENC_INT16（用16位存储整数）、INSET_ENC_INT32（用32位存储整数）、INSET_ENC_INT64（用64位存储整数）；

至于使用哪种编码格式，取决于集合中最大整数所需要的位数，当有新的更长的元素加入数组时，数组会自动进行位数升级，比如数组从16位整数升级为32位整数，但是只能升级，升级之后就不能降级了。

编码格式的升级就意味着要重新创建数据，并将原数组的数据迁移到新数据中。

当查询集合中的元素时，使用的是二分查找，当插入数据时，也是先查看数据是否存在，如果不存在，则找到合适的插入位置，再插入；

优点：实现了Set数据类型的唯一性，存储还算紧凑，设计简单。

缺点：读时间复杂度为O（log N），写数据时，容易引起编码格式的升级，且在数组中插入数据，容易导致大量数据往后挪移。

typedef struct intset {
    // 编码方式
    uint32_t encoding;
    // 集合包含的元素数量
    uint32_t length;
    // 保存元素的数组
    int8_t contents[];
} intset;

4.3、常用命令

SADD key value1 value2 ...    // 向集合中添加若干个元素，如果元素已经存在，则忽略，返回实际添加成功的元素个数。

SREM key value1 value2 ....    // 删除集合中的元素，如果元素不存在，则忽略，返回实际删除成功的元素个数。

SCARD key    //返回集合中的元素个数。

SDIFF key  或者  SDIFF key1  key2 ...  // 如果只有一个聚合，就返回集合中的全部元素，如果是多个集合，那就是返回第一个集合中与其它所有集合都不同的元素（即 第一个集合与所有集合的差集）。

SDIFFSTORE destination key key2 ...  // 作用和 SDIFF 一样，只是将差集存储到 destination 集合中去。

SINTER key1 key2 ...   //  返回这些集合的交集，如果其中有空集（不存在的集合被视为空集），那么结果也为空集。

SINTERSTORE destination key key2 ..  //将集合的交集存到 destination 集合中。

SISMENBER key value   //判断 value 是否是集合的元素，是，返回1，不是，返回-1。

SMEMBERS key   // 返回集合中的所有元素。

SMOVE source destination member   // 将集合的一个元素移到另一个集合中去。

SPOP key   // 从集合中返回一个随机元素，并从集合中移除。

SRANDMEMBER  key  // 从集合中返回一个随机元素，不从集合中移除。

SREM member1 member2 ...  // 删除集合中的若干个元素。

SUNION key1 key2 ...    // 返回若干个集合的并集。

SUNIONSTORE destination key1 key2 ...  // 将若干个集合的并集存入另一个集合 destination。

SSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count]  // 扫描，和scan一样，只是扫描的对象是集合而已。

5、Zset 有序集合

5.1、简介

Zset 是一个有序集合，类似于 set，每个元素都是唯一的，不同的是，Zset的元素都有一个分值，且所有元素都是按照分值进行升序排序的。

当Zset包含的元素个数小于zset-max-ziplist-entries （默认为128），且所有元素的长度都小于 zset-max-ziplist-value （默认为64字节）时，底层使用压缩列表结构存储，否则，使用 hashtable + 跳表 形式进行存储。

hashtable 和 跳表只是使用了同一份集合元素的指针，并不是两份数据。

hashtable 存在的目的是使得查询集合中某个元素的时间复杂度为 O（1），并且保证 Zset 中元素的唯一性。

跳表存在的目的是为了保持 Zset 的有序性，且让元素的插入、删除、修改的时间复杂度平均在 O（log N）。

5.2、跳表结构

typedf struct zskiplist{         
    struct zskiplistNode *header;    //头节点      
    struct zskiplistNode *tail;     //尾节点    
    unsigned long length;     // 跳表中元素个数    
    int level;  //目前表内节点的最大层数
} zskiplist;
 
 
typedf struct zskiplistNode{
    sds ele;    // 具体的数据
    double score;    // 分数
    struct zskiplistNode *backward;   //指向前一个节点，用于倒序遍历
    struct zskiplistLevel{ 
        struct zskiplistNode *forward;   //指向下一个节点
        unsigned int span;     // 第几层
    }level[];        //层级数组
}zskiplistNode;

 

5.2.1、跳表查询

当查询数据时，从上往下找，比如查询 Zset 中是否包含 14，先从第二层开始找，发现 14 介于 9 和 59 之间，于是从第二层的 9 往下走，到达第一层的 9，继续找，发现 14 就等于第一层 9 的后一个节点，于是得出结论，Zset 包含 14，查询路线如图中红色箭头所示。

 5.2.2、跳表插入

往跳表里插入一个数据时，比如在上图例子中，插入一个 5 ，只需在第一层中插入即可，插入一个 9，需要在第一层和第二层都插入，那怎么决定一个数据应该插入几层呢，并且插入在什么位置呢？

决定插入层的方式：抛硬币，如果是正面，就继续抛，直到出现背面，那么正面出现的次数就是层数；

插入在什么位置：按照跳表查询的方式，确定插入的位置；

举个例子，如下图所示：

5.2.3、跳表删除

 当跳表删除一个数据时，先找到数据的位置，再将该数据在每一层节点都删除了，举个例子，如下图所示：

 5.2.4、跳表修改

 修改跳表中的某一个数据时，先找到数据的位置，如果修改数据后，不会影响 Zset 的有序性，则直接修改，否则，将该数据先进行删除，再进行添加。

5.3、常用命令

ZADD key score member score1 member1 score2 member2 ... //添加若干个元素，每个元素都有分值。

ZCARD key  //返回集合的元素个数。

ZCOUNT key min max   // 返回集合中分值在 [min, max] 区间的元素个数。

ZINCRBY key increment member  //在集合里的元素 member 的分值上加 increment 。

ZRANGE key start stop [WITHSCORES]  // 返回集合中下标 [start, stop] 区间的元素（不包含分值），如果带上 WITHSCORES 参数就会将分值一起返回。

ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]  //返回分值在 [min, max] 区间的元素，WITHSCORES 参数就会将分值一起返回，LIMIT offset count 的意思是在 [min, max] 区间的元素里面，从第 offset 个元素开始，只获取 count 个元素，然后返回这 count 个元素。

ZRANK key member    // 查看元素 member 在集合中按分值排名第几，0表示第一。

ZREM key member [member ...]   // 删除集合中的指定元素。

ZREMRANGEBYRANK key start stop  // 删除集合中按分值排名在 [start, stop] 区间的元素。

ZREMRANGEBYSCORE key min max  // 删除集合中分值在 [min, max] 区间的元素。

ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]  // 返回集合中排名在 [start, stop] 区间的元素的逆序列。

ZREVRANGEBYSCORE key max min [WITHSCORES] [LIMIT offset count] //返回集合中分值在 [min, max] 区间的元素的逆序列。

ZREVRANK key member // 返回 member 在集合中按照分值逆序排名中的名次，0 表示倒数第一。

ZSCORE key member //返回集合中member元素的分值

ZUNIONSTORE destination numkeys key [key ...] [WEIGHTS weight [weight ...]] [AGGREGATE SUM|MIN|MAX]  //将 numkeys 数量的有序集合做并集，并且将并集存入集合 destination 中， WEIGHTS 参数是可选的，表示每个集合对应的乘法因子，每个集合的每个元素的分值都要乘上对应的 weight ，默认 weight 为 1 ， AGGREGATE 也是可选的，指定聚合方式，默认是 SUM 方式，表示元素的并集，分值相加， MIN 表示取分值最小的， MAX 表示取分值最大的。

ZINTERSTORE destination numkeys key [key ...] [WEIGHTS weight [weight ...]] [AGGREGATE SUM|MIN|MAX] // 交集，和 ZUNIONSTORE 指令类似。

ZSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count]   // 扫描，和 scan 一样，针对的目标是有序集合。