Redis数据结构详解以及常见的使用方法与场景

Redis数据类型

与Memcached仅支持简单的key-value结构的数据记录不同，Redis支持的数据类型要丰富得多，常用的数据类型主要有五种：String、List、Hash、Set和Sorted Set。另外还有两种：Bitmaps,HyperLoglog

 

Redis数据类型内存结构分析

Redis内部使用一个redisObject对象来表示所有的key和value。redisObject主要的信息包括数据类型（type）、编码方式(encoding)、数据指针（ptr）、虚拟内存（vm）等。type代表一个value对象具体是何种数据类型，encoding是不同数据类型在redis内部式。

 

redisObject 对象示意图

下面分别介绍5种数据类型的用法。

String类型

字符串是Redis值的最基础的类型。Redis中使用的字符串是通过包装的，基于c语言字符数组实现的简单动态字符串(simple dynamic string, SDS)一个抽象数据结构。其源码定义如下： 

struct sdshdr {

    int len; //len表示buf中存储的字符串的长度。

    int free; //free表示buf中空闲空间的长度。

    char buf[]; //buf用于存储字符串内容。

};

 

 

C语言字符串内存结构示意图1

假设上图是”hello”字符串的内存结构，这个时候len=5，free=2那么redis包装后（sds）其长度为：

sizeof(struct sdshdr) + len + free + 1

其中buf的大小为：

len + free + 1 

1表示1个字节是用来存储结束符’\0’的。Redis字符串是二进制安全的，因为二进制数据通常会有中间某个字节存储’\0’的这种情况，这意味着一个Redis字符串可以包含任何种类的数据，例如一个JPEG图像或者一个序列化的Ruby对象。二进制是否安全，简单的理解就是能不能在字符串中间有‘\0’,如下图:

 

C语言字符串内存结构示意图2

对于上图，sds认为这个字符串是“hello world”,而C语言的字符处理函数认为这个字符串是“hello”。

 

典型应用场景

• 缓存功能： String是最常用的一种数据类型，普通的key/value存储都可以归为此类。通常用于作为缓存层，mysql等关系型数据库作为存储层，绝大部分请求的数据都是从Redis中获取，由于redis具有支撑高并发的特性。与mysql等关系型数据库不同的是，redis没有命令空间，且没有对健名有强制要求（除了不能使用一些特殊字符）。因此设计合理的健名，有利于防止健冲突和项目的可维护性，比较推荐的方式是“业务名：对象名：id：[属性]”作为健名。

例如：mysql的数据库名是vs，用户名为user，那么对应的健可以用“vs:user:1”,"vs:user:1:name"来表示。

• 计算：许多应用都会使用Redis作为计数的基础工具，它可以实现快速计数、查询缓存的功能，同事数据可以异步落地到其他数据源。例如视频播放次数，微博点赞数等。
• 共享session：单点登陆，将session集中管理。这种功能下需要保证redis的高可用性和扩展性。
• 限速：很多应用出于安全考虑，会在每次进行登陆时，提示用户输入手机验证码，从而确定用户是否是本人。但是短信接口不能被频繁访问，因此需要限制用户每分钟获取验证码，除了前端做时间限制之外，后端可以使用redis来生成一个有expire过期时间的key，key存在则不允许访问。

常用命令

（1）set——设置key对应的值为String类型的value

（2）get——获取key对应的值

（3）mget——批量获取多个key的值，如果可以不存在则返回nil

（4）incr && incrby——incr对key对应的值进行加加操作，并返回新的值;incrby加指定值

（5）decr && decrby——decr对key对应的值进行减减操作，并返回新的值;decrby减指定值

（6）其他命令

 

命令	说明
setnx	设置key对应的值为String类型的value，如果key已经存在则返回0
setex	设置key对应的值为String类型的value，并设定有效期
setrange	设置key对应value的子字符串
getrange	获取key对应value的子字符串
mset	批量设置多个key的值，如果成功表示所有值都被设置，否则返回0表示没有任何值被设置
msetnx	同mset，不存在就设置，不会覆盖已有的key
getset	设置key的值，并返回key旧的值
append	给指定key的value追加字符串，并返回新字符串的长度
strlen	取指定key的value的长度

Hash类型

Hash是一个String类型的field和value之间的映射表，即redis的Hash数据类型的key（hash表名称）对应的value实际的内部存储结构为一个HashMap，因此Hash特别适合存储对象。相对于把一个对象的每个属性存储为String类型，将整个对象存储在Hash类型中会占用更少内存。

 

 

Hash 数据类型内部结构示意图​​​​​​​

当前HashMap的实现有两种方式：当HashMap的成员比较少时Redis为了节省内存会采用类似一维数组的方式来紧凑存储，而不会采用真正的HashMap结构，这时对应的value的redisObject的encoding为zipmap，当成员数量增大时会自动转成真正的HashMap,此时encoding为ht。

应用场景

用一个对象来存储用户信息，商品信息，订单信息等等。

例如:UserInfo对象，可以直接redis.hmset(key,userInfoMap)，也就是把对象变成属性值键值对形式存储。

通常使用redis存储对象有三种方式

（1）原生字符串每个属性一个键。优点：简单直观，属性操作方便，缺点：占用键过多，内存消耗较多，信息内聚性差，不建议使用。

（2）序列化字符串。将对象序列化，可以是json，xml。优点：简化编程。缺点：序列化反序列化有开销。

（3）哈希。每个对象属性使用一组键值对，然而总体只有一个键。优点：简单直观。缺点：存在哈希ziplist和hashtable两种内部编码转化，hashtable会消耗更多内存。当value大于64字节或者field(属性)个数超过512，内部编码会变成hashtable。

常用命令

（1）hset——设置key对应的HashMap中的field的value

（2）hget——获取key对应的HashMap中的field的value

（3）hgetall——获取key对应的HashMap中的所有field的value

（4）其它命令

命令	说明
hsetnx	设置key对应的HashMap中的field的value，如果不存在则先创建
hmset	批量设置key对应的HashMap中的field的value
hmget	批量获取key对应的HashMap中的field的value
hincrby	给key对应的HashMap中的field的value加指定的值
hexits	测试key对应的HashMap中的field是否存在
hlen	返回key对应的HashMap中的field的数量
hdel	删除key对应的HashMap中的field
hkeys	返回key对应的HashMap中所有的field
hvals	返回key对应的HashMap中所有的field的value

 

List类型

Redis的List类型其实就是每一个元素都是String类型的双向链表。我们可以从链表的头部和尾部添加或者删除元素。这样的List既可以作为栈，也可以作为队列使用。

 

 

List数据结构内部示意图

应用场景

如好友列表，粉丝列表，消息队列，最新消息排行等。

消息队列：生产者客户端使用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”列表尾部元素，多个客户端保证了消费的负载均衡和高可用。例如订单的处理。

文章列表：例如csdn常见的文章列表，每个用户都有自己文章。假设有一个业务需要分页展示文章列表。此时可以考虑使用列表，因为列表有序，同时又支持按照索引范围获取元素。

例如:

首先是hash存储一篇文章：hmset artcle：1 title xx timestamp 1476536196 content xxx

然后为用户添加文章：lpush user:1:articles article:1 article:2

最后：articles = lrange user:1:articles 0 9 

  for article inarticles:

     hgetall(article)

 但是，列表保存也不是完全没问题，分页获取，hgetall操作会较多；列表太大的话，lrange获取中间范围的性能就会差，这是数据结构导致的。

常用命令

（1）lpush——在key对应的list的头部添加一个元素。

（2）lrange——获取key对应的list的指定下标范围的元素，-1表示获取所有元素。

（3）lpop——从key对应的list的尾部删除一个元素，并返回该元素

从上面的操作可以看出，lpush、lpop从表头操作。

 

 

（4）rpush——在key对应的list的尾部添加一个元素。

（5）rpop——从key对应的list的尾部删除一个元素，并返回该元素。

从上面的操作可以看出，rpush、rpop从表尾操作。

 

（6）其他命令

 

命令	说明
linsert	在key对应的list的特定元素的前或后插入元素
lset	设置key对应的list中指定下标元素的值
lrem	从key对应的list中删除n个和value相同的元素
ltrim	保留key对应的list中指定范围的元素
rpoplpush	从第一个list的尾部移除一个元素并添加到第二个list的头部
llen	返回key对应的list的长度
lindex	返回key对应的list中index的元素

 有这么一个口诀：

lpush + lpop = stack（栈）

lpush + rpop = queue（队列）

lpush + ltrim = capped collection(有限集合)

lpush + brpop = Message Queue(消息队列)

Set类型

Redis 集合（Set类型）是一个无序的String类型数据的集合，类似List的一个列表，与List不同的是Set不能有重复的数据。实际上，Set的内部是用HashMap实现的，Set只用了HashMap的key列来存储对象。

 

首先可见创建一个HashSet的时候实际上创建了一个HashMap；Set中的元素，只是存放在了底层HashMap的key上，底层HashMap的value列为空，遍历HashSet的时候从HashMap中取出keySet来遍历。

 

 

 

Set底层结构示意图

应用场景

集合有取交集、并集、差集等操作，因此可以求共同好友、共同兴趣、分类标签等。

举例一个场景，tag标签。例如一个用户可能对娱乐，体育感兴趣，另一个用户对历史、新闻比较感兴趣。这些兴趣点就是标签。有了这些数据就可以协同过滤共同爱好，兴趣。

sadd user:1 tags tag1 tag2 tag3

sadd user:12tags tag1 tag2 tag5

常用命令

（1）sadd——在key对应的set中添加一个元素。

（2）smembers——获取key对应的set的所有元素。

（3）spop——随机返回并删除key对应的set中的一个元素。

（4）sdiff——求给定key对应的set与第一个key对应的set的差集

（5）suion——求给定key对应的set并集

（6）sinter——求给定key对应的set交集

（7）其他命令

 

命令	说明
srem	删除key对应的set中的一个元素
sdiffstore	求给定key对应的set与第一个key对应的set的差集，并存储到另一个key对应的set中
sinterstore	求给定key对应的set交集，并存储到另一个key对应的set中
suionstore	求给定key对应的set并集，并存储到另一个key对应的set中
somve	从第一个key对应的set中删除指定元素并添加到第二个key对应的set中
scard	返回key对应的set的元素个数
sismember	测试某个元素是否为key对应的set中的元素个数
srandmember	随机返回key对应的set中的一个元素，但不删除元素

SortSet

SortSet顾名思义，是一个排好序的Set，它在Set的基础上增加了一个顺序属性score，这个属性在添加修改元素时可以指定，每次指定后，SortSet会自动重新按新的值排序。

sorted set的内部使用HashMap和跳跃表(SkipList)来保证数据的存储和有序，HashMap里放的是成员到score的映射，而跳跃表里存放的是所有的成员，排序依据是HashMap里存的score。

应用场景

如按时间排序的时间轴。

sortset支持很多的排序，统计命令，因此做排行榜系统，按照时间维度，播放量，点赞数这类业务非常适用。

添加用户点赞数:zadd user:ranking:20180311 3 mike

点赞数增加：incrby  user:ranking：20180311 1 mike

常用命令

（1）zadd ——在key对应的zset中添加一个元素

（2）zrange——获取key对应的zset中指定范围的元素，-1表示获取所有元素

（3）zrem——删除key对应的zset中的一个元素

（4）其它命令

 

命令	说明
zincrby	如果key对应的zset中已经存在元素member，则对member的score属性加指定的值
zrank	返回key对应的zset中指定member的排名。其中member按score值递增(从小到大）；排名以0为底，也就是说，score值最小的成员排名为0
zrevrank	获得成员按score值递减(从大到小)排列的排名
zrevrange	返回有序集key中，指定区间内的成员。其中成员的位置按score值递减(从大到小)来排列
zrangebyscore	返回有序集key中，指定分数范围的元素列表
zcount	返回有序集key中，score值在min和max之间(默认包括score值等于min或max)的成员
zcard	返回key的有序集元素个数