Redis数据结构和抽象简介

下面是一个对Redis官方文档《An introduction to Redis data types and abstractions》一文的翻译，如其题目所言，此文目的在于让一个初学者能对Redis的数据结构有一个了解。

Redis是一种面向“键/值”对类型数据的分布式NoSQL数据库系统，特点是高性能，持久存储，适应高并发的应用场景。它起步较晚，发展迅速，目前已被许多大型机构采用，比如Github，看看谁在用它。

本文翻译自Redis的一篇官方文档：An introduction to Redis data types and abstractions (链接: http://redis.io/topics/data-types-intro)
感兴趣的朋友，快速介绍Redis的数据类型。

中英文对照，如有疏漏敬请留言，某些关键词不译，便于阅读。

你也许已经知道Redis并不是简单的key-value存储，实际上他是一个数据结构服务器，支持不同类型的值。也就是说，你不必仅仅把字符串当作键所指向的值。下列这些数据类型都可作为值类型。

• 二进制安全的 字符串 string

• 二进制安全的 字符串列表 list of string

• 二进制安全的 字符串集合 set of string，换言之：它是一组无重复未排序的element。可以把它看成Ruby中的 hash–其key等于element，value都等于’true‘。

• 有序集合sorted set of string，类似于集合set，但其中每个元素都和一个浮点数score（评分）关联。element根据score排序。可以把它看成Ruby中的 hash–其key等于element，value等于score，但元素总是按score的顺序排列，无需额外的排序操作。

Rredis键

Redis key值是二进制安全的，这意味着可以用任何二进制序列作为key值，从形如”foo”的简单字符串到一个JPEG文件的内容都可以。空字符串也是有效key值。

关于key的几条规则：

• 太长的键值不是个好主意，例如1024字节的键值就不是个好主意，不仅因为消耗内存，而且在数据中查找这类键值的计算成本很高。

• 太短的键值通常也不是好主意，如果你要用”u:1000:pwd”来代替”user:1000:password”，这没有什么问题，但后者更易阅读，并且由此增加的空间消耗相对于key object和value object本身来说很小。当然，没人阻止您一定要用更短的键值节省一丁点儿空间。

• 最好坚持一种模式。例如：”object-type:id:field”就是个不错的注意，像这样”user:1000:password”。我喜欢对多单词的字段名中加上一个点，就像这样：”comment:1234:reply.to”。

字符串类型

这是最简单Redis类型。如果你只用这种类型，Redis就像一个可以持久化的memcached服务器（注：memcache的数据仅保存在内存中，服务器重启后，数据将丢失）。

我们用redis-cli来玩一下字符串类型：

> set mykey somevalue
OK
> get mykey
"somevalue"

正如你所见到的，通常用SET command 和 GET command来设置和获取字符串值。

值可以是任何种类的字符串（包括二进制数据），例如你可以在一个键下保存一副jpeg图片。值的长度不能超过1GB。

虽然字符串是Redis的基本值类型，但你仍然能通过它完成一些有趣的操作。例如：原子递增：

> set counter 100
OK 
> incr counter
(integer) 101
> incr counter
(integer) 102
> incrby counter 10
(integer) 112

INCR 命令将字符串值解析成整型，将其加一，最后将结果保存为新的字符串值，类似的命令有INCRBY, DECR and DECRBY。实际上他们在内部就是同一个命令，只是看上去有点儿不同。

INCR是原子操作意味着什么呢？就是说即使多个客户端对同一个key发出INCR命令，也决不会导致竞争的情况。例如如下情况永远不可能发生：『客户端1和客户端2同时读出“10”，他们俩都对其加到11，然后将新值设置为11』。最终的值一定是12，read-increment-set操作完成时，其他客户端不会在同一时间执行任何命令。

对字符串，另一个的令人感兴趣的操作是GETSET命令，行如其名：他为key设置新值并且返回原值。这有什么用处呢？例如：你的系统每当有新用户访问时就用INCR命令操作一个Redis key。你希望每小时对这个信息收集一次。你就可以GETSET这个key并给其赋值0并读取原值。

为减少等待时间，也可以一次存储或获取多个key对应的值，使用MSET 和MGET 命令:

> mset a 10 b 20 c 30
OK
> mget a b c
1) "10"
2) "20"
3) "30"

MGET 命令返回由值组成的数组。

修改或查询值空间

使用EXISTS命令返回1或0标识给定key的值是否存在，使用DEL命令可以删除key对应的值，DEL命令返回1或0标识值是被删除(值存在)或者没被删除(key对应的值不存在)。

> set mykey hello
OK
> exists mykey
(integer) 1
> del mykey
(integer) 1
> exists mykey
(integer) 0

TYPE命令可以返回key对应的值的存储类型：

> set mykey x
OK
> type mykey
string
> del mykey
(integer) 1
> type mykey
None

Redis超时:数据在限定时间内存活

在介绍复杂类型前我们先介绍一个与值类型无关的Redis特性:超时。你可以对key设置一个超时时间，当这个时间到达后会被删除。精度可以使用毫秒或秒。

> set key some-value
OK
> expire key 5
(integer) 1
> get key (立即执行)
"some-value"
> get key (超过5秒后执行)
(nil)

上面的例子使用了EXPIRE来设置超时时间(也可以再次调用这个命令来改变超时时间，使用PERSIST命令去除超时时间 )。我们也可以在创建值的时候设置超时时间:

> set key 100 ex 10
OK
> ttl key
(integer) 9

TTL命令用来查看key对应的值剩余存活时间。

列表类型

要说清楚列表数据类型，最好先讲一点儿理论背景，在信息技术界List这个词常常被使用不当。例如”Python Lists”就名不副实（名为Linked Lists），但他们实际上是数组（同样的数据类型在Ruby中叫数组）

一般意义上讲，列表就是有序元素的序列：10,20,1,2,3就是一个列表。但用数组实现的List和用Linked List实现的List，在属性方面大不相同。

Redis lists基于Linked Lists实现。这意味着即使在一个list中有数百万个元素，在头部或尾部添加一个元素的操作，其时间复杂度也是常数级别的。用LPUSH 命令在十个元素的list头部添加新元素，和在千万元素list头部添加新元素的速度相同。

那么，坏消息是什么？在数组实现的list中利用索引访问元素的速度极快，而同样的操作在linked list实现的list上没有那么快。

Redis Lists用linked list实现的原因是：对于数据库系统来说，至关重要的特性是：能非常快的在很大的列表上添加元素。另一个重要因素是，正如你将要看到的：Redis lists能在常数时间取得常数长度。

如果快速访问集合元素很重要，建议使用可排序集合(sorted sets)。可排序集合我们会随后介绍。

Redis lists 入门

LPUSH 命令可向list的左边（头部）添加一个新元素，而RPUSH命令可向list的右边（尾部）添加一个新元素。最后LRANGE 命令可从list中取出一定范围的元素:

> rpush mylist A
(integer) 1
> rpush mylist B
(integer) 2
> lpush mylist first
(integer) 3
> lrange mylist 0 -1
1) "first"
2) "A"
3) "B"

注意LRANGE 带有两个索引，一定范围的第一个和最后一个元素。这两个索引都可以为负来告知Redis从尾部开始计数，因此-1表示最后一个元素，-2表示list中的倒数第二个元素，以此类推。

上面的所有命令的参数都可变，方便你一次向list存入多个值。

> rpush mylist 1 2 3 4 5 "foo bar"
(integer) 9
> lrange mylist 0 -1
1) "first"
2) "A"
3) "B"
4) "1"
5) "2"
6) "3"
7) "4"
8) "5"
9) "foo bar"

还有一个重要的命令是pop,它从list中删除元素并同时返回删除的值。可以在左边或右边操作。

> rpush mylist a b c
(integer) 3
> rpop mylist
"c"
> rpop mylist
"b"
> rpop mylist
"a"
Redis返回nil标识list里没有元素。
> rpop mylist
(nil)

List的常用案例

正如你可以从上面的例子中猜到的，list可被用来实现聊天系统。还可以作为不同进程间传递消息的队列。关键是，你可以每次都以原先添加的顺序访问数据。这不需要任何SQL ORDER BY 操作，将会非常快，也会很容易扩展到百万级别元素的规模。

例如在评级系统中，比如社会化新闻网站 reddit.com，你可以把每个新提交的链接添加到一个list，用LRANGE可简单的对结果分页。

在博客引擎实现中，你可为每篇日志设置一个list，在该list中推入进博客评论，等等。

Capped lists

可以使用LTRIM把list从左边截取指定长度。

> rpush mylist 1 2 3 4 5
(integer) 5
> ltrim mylist 0 2
OK
> lrange mylist 0 -1
1) "1"
2) "2"
3) "3"

List上的阻塞操作

可以使用Redis来实现生产者和消费者模型，如使用LPUSH和RPOP来实现该功能。但会遇到这种情景：list是空，这时候消费者就需要轮询来获取数据，这样就会增加redis的访问压力、增加消费端的cpu时间，而很多访问都是无用的。为此redis提供了阻塞式访问 BRPOP 和 BLPOP命令。 消费者可以在获取数据时指定如果数据不存在阻塞的时间，如果在时限内获得数据则立即返回，如果超时还没有数据则返回null, 0表示一直阻塞。

同时redis还会为所有阻塞的消费者以先后顺序排队。

如需了解详细信息请查看 RPOPLPUSH和 BRPOPLPUSH。

自动创建和删除集合

如果一个数据是集合类型，在添加元素时如果该集合不存在，redis会自动创建。

如果一个集合在删除元素后是空，redis会自动将它删除。

在一个空集合上调用只读命令如LLEN (返回list的长度)，或者写命令删除元素始终返回一致的结果。

这些规则适用于redis的所有集合类型：list、set、sorted set和hash等。

例一：

> lpush mylist 1 2 3
(integer) 3
> exists mylist
(integer) 1
> lpop mylist
"3"
> lpop mylist
"2"
> lpop mylist
"1"
> exists mylist
(integer) 0

例二：

> del mylist
(integer) 0
> llen mylist
(integer) 0
> lpop mylist
(nil)

Redis哈希表(Redis Hashes)

Redis的哈希表可以看作是键值对的存储:

> hmset user:1000 username antirez birthyear 1977 verified 1
OK
> hget user:1000 username
"antirez"
> hget user:1000 birthyear
"1977"
> hgetall user:1000
1) "username"
2) "antirez"
3) "birthyear"
4) "1977"
5) "verified"
6) "1"

哈希表的使用场景很多。HMSET用于一次放入多个值， HGET用于取出其中的一个值，HMGET与 HGET用法相同，但返回多个值组成的数组。

> hmget user:1000 username birthyear no-such-field
1) "antirez"
2) "1977"
3) (nil)

也有一些命令可以操作哈希表，例如HINCRBY:

> hincrby user:1000 birthyear 10
(integer) 1987
> hincrby user:1000 birthyear 10
(integer) 1997

你可以查看文档以获取详细信息。

值得注意的是，小的哈希表(例如元素的值比较小)会被使用特殊格式压缩以提高内存使用效率。

Redis 集合(Redis Sets)

Redis集合是未排序的集合，其元素是二进制安全的字符串。SADD命令可以向集合添加一个新元素。和sets相关的操作也有许多，比如检测某个元素是否存在，以及实现交集，并集，差集等等。一例胜千言：

> sadd myset 1 2 3
(integer) 3
> smembers myset
1. 3
2. 1
3. 2

我向集合中添加了三个元素，并让Redis返回所有元素。如你所见它们是无序的。

现在让我们检查某个元素是否存在：

> sismember myset 3
(integer) 1
> sismember myset 30
(integer) 0

“3″是这个集合的成员，而“30”不是。集合特别适合表现对象之间的关系。例如用Redis集合可以很容易实现标签功能。

下面是一个简单的方案：对每个想加标签的对象，用一个标签ID集合与之关联，并且对每个已有的标签，一组对象ID与之关联。

例如假设我们的新闻ID 1000被加了三个标签tag 1,2,5和77，就可以设置下面两个集合：

> sadd news:1000:tags 1 2 5 77
(integer) 4
> sadd tag:1:news 1000
(integer) 1
> sadd tag:2:news 1000
(integer) 1
> sadd tag:5:news 1000
(integer) 1
> sadd tag:77:news 1000
(integer) 1

要获取一个对象的所有标签，如此简单：

> smembers news:1000:tags
1. 5
2. 1
3. 77
4. 2

而有些看上去并不简单的操作仍然能使用相应的Redis命令轻松实现。例如我们也许想获得一份同时拥有标签1, 2, 10和27的对象列表。这可以用SINTER命令来做，他可以在不同集合之间取出交集。因此为达目的我们只需：

> sinter tag:1:news tag:2:news tag:10:news tag:27:news
... results here ...

在命令参考文档中可以找到和集合相关的其他命令，令人感兴趣的一抓一大把。一定要留意SORT命令，Redis集合和list都是可排序的。

有序集合(Redis Sorted sets)

集合是使用频率很高的数据类型，但是…对许多问题来说他们也有点儿太不讲顺序了;)因此Redis引入了有序集合。他和集合非常相似，也是二进制安全的字符串集合，但是这次带有关联的score，以及一个类似LRANGE的操作可以返回有序元素，此操作只能作用于有序集合，它就是，ZRANGE 命令。

基本上有序集合从某种程度上说是SQL世界的索引在Redis中的等价物。我们将看到有序集合如何解决这个问题，但最好先从更简单的事情开始，阐明这个高级数据类型是如何工作的。让我们添加几个黑客，并将他们的生日作为“score”。

> zadd hackers 1940 "Alan Kay"
(integer) 1
> zadd hackers 1957 "Sophie Wilson"
(integer 1)
> zadd hackers 1953 "Richard Stallman"
(integer) 1
> zadd hackers 1949 "Anita Borg"
(integer) 1
> zadd hackers 1965 "Yukihiro Matsumoto"
(integer) 1
> zadd hackers 1914 "Hedy Lamarr"
(integer) 1
> zadd hackers 1916 "Claude Shannon"
(integer) 1
> zadd hackers 1969 "Linus Torvalds"
(integer) 1
> zadd hackers 1912 "Alan Turing"
(integer) 1

对有序集合来说，按生日排序返回这些黑客易如反掌，因为他们已经是有序的。有序集合是通过一个dual-ported 数据结构实现的，它包含一个精简的有序列表和一个hash table，因此添加一个元素的时间复杂度是O(log(N))。这还行，但当我们需要访问有序的元素时，Redis不必再做任何事情，它已经是有序的了：

> zrange hackers 0 -1
1) "Alan Turing"
2) "Hedy Lamarr"
3) "Claude Shannon"
4) "Alan Kay"
5) "Anita Borg"
6) "Richard Stallman"
7) "Sophie Wilson"
8) "Yukihiro Matsumoto"
9) "Linus Torvalds"

你知道Linus比Yukihiro年轻吗

无论如何，我想反向对这些元素排序，这次就用 ZREVRANGE 代替 ZRANGE 吧：

> zrevrange hackers 0 -1
1) "Linus Torvalds"
2) "Yukihiro Matsumoto"
3) "Sophie Wilson"
4) "Richard Stallman"
5) "Anita Borg"
6) "Alan Kay"
7) "Claude Shannon"
8) "Hedy Lamarr"
9) "Alan Turing"

我们也可以使用WITHSCORES参数将score一起返回：

> zrange hackers 0 -1 withscores
1) "Alan Turing"
2) "1912"
3) "Hedy Lamarr"
4) "1914"
5) "Claude Shannon"
6) "1916"
7) "Alan Kay"
8) "1940"
9) "Anita Borg"
10) "1949"
11) "Richard Stallman"
12) "1953"
13) "Sophie Wilson"
14) "1957"
15) "Yukihiro Matsumoto"
16) "1965"
17) "Linus Torvalds"
18) "1969"

区间操作

有序集合之能不止于此，他能在区间上操作。例如获取所有1950年之前出生的人。我们用 ZRANGEBYSCORE 命令来做：

> zrangebyscore hackers -inf 1950
1) "Alan Turing"
2) "Hedy Lamarr"
3) "Claude Shannon"
4) "Alan Kay"
5) "Anita Borg"

我们请求Redis返回score介于负无穷到1950年之间的元素（两个极值也包含了）。

也可以删除区间内的元素。例如从有序集合中删除生日介于1940到1960年之间的黑客。

> zremrangebyscore hackers 1940 1960
(integer) 4

ZREMRANGEBYSCORE 这个名字虽然不算好，但他却非常有用，还会返回已删除的元素数量。

另外一个非常有用的命令是返回在有序集合中的位置。

> zrank hackers "Anita Borg"
(integer) 4

一个非常重要的小贴士，ZSets只是有一个“默认的”顺序，但你仍然可以用 SORT 命令对有序集合做不同的排序（但这次服务器要耗费CPU了）。要想得到多种排序，一种可选方案是同时将每个元素加入多个有序集合。

这篇指南远未尽言，这只是从Redis开始的基础，欲深入之请读命令参考文档。

ps:因看到nosqlFan这篇翻译，但因为版本较旧，就在它的基础上扩展翻译，感谢他的分享~