Redis从入门到精通之底层数据结构整数集IntSet详解

2023-06-06 732

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简介： 在Redis中，整数集（IntSet）是一种底层的数据结构，用于存储整型数据。整数集是一种紧凑的、高效的数据结构，可以用来实现集合等功能。当一个集合只包含整数值元素，并且这个集合的元素数量不多时，Redis 就会使用整数集合作为集合键的底层实现。

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0.前言

在Redis中，整数集（IntSet）是一种底层的数据结构，用于存储整型数据。整数集是一种紧凑的、高效的数据结构，可以用来实现集合等功能。

当一个集合只包含整数值元素，并且这个集合的元素数量不多时，Redis 就会使用整数集合作为集合键的底层实现。

1.数集IntSet详解

整数集的实现方式与普通的数组和链表不同，它采用了一种特殊的压缩算法，可以在尽可能少的内存空间中存储大量的整型数据。在Redis中，整数集通常用来存储集合中的元素，例如有序集合中的分值。

整数集的结构如下所示：

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| header |  data  |  data  |  data  |  data  |  data  |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

整数集由一个头部和多个数据块组成。头部中存储了整数集的元素个数、编码方式和数据块的起始地址等信息。数据块中存储了实际的整型数据。

整数集的编码方式有三种：

INTSET_ENC_INT16：表示整数集中的元素都是16位的整数。
INTSET_ENC_INT32：表示整数集中的元素都是32位的整数。
INTSET_ENC_INT64：表示整数集中的元素都是64位的整数。

在Redis中，整数集的编码方式是根据元素的大小来自动选择的。如果所有元素都可以放在16位或32位中，就选择相应的编码方式；否则，就选择64位编码方式。

整数集的压缩算法是在保证元素按照升序排列的前提下，尽量压缩每个元素的存储空间。具体来说，整数集会对连续的整型数据进行压缩，只存储它们的起始值和步长，而不是每个元素的实际值。这种算法可以在尽可能少的内存空间中存储大量的整型数据，提高了内存的利用率。

1.1 整数集的压缩算法原理

整数集（IntSet）的压缩算法是一种特殊的算法，可以在尽可能少的内存空间中存储大量的整型数据。整数集的压缩算法基于以下两个原则：

整数集中的元素按照升序排列。
对于连续的整型数据，只存储它们的起始值和步长，而不是每个元素的实际值。

具体来说，整数集会根据元素的大小选择合适的编码方式（INTSET_ENC_INT16、INTSET_ENC_INT32或INTSET_ENC_INT64），然后将整数集中的元素按照升序排列。对于连续的整型数据，整数集会计算它们的起始值和步长，并将它们存储在数据块中。例如，假设整数集中有以下元素：1、2、3、4、5、10、11、12、13、14，整数集的数据块可以存储以下内容：

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|   1    |   1    |   4    |   10   |   1    |   5    |   2    |   4    |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

在上面的数据块中，第一个元素1表示整数集的编码方式（INTSET_ENC_INT16），第二个元素1表示整数集中有6个元素，后面的数据块中，每两个元素表示一个连续的整型数据的起始值和步长。例如，第三个元素4表示整数集中有4个连续的整数（4、5、6、7），第四个元素10表示这些整数的起始值，第五个元素1表示这些整数的步长。

整数集的压缩算法可以在尽可能少的内存空间中存储大量的整型数据，提高了内存的利用率。在实际的Redis应用中，整数集被广泛应用于集合等数据结构的实现。通过使用整数集，Redis可以在保证高效的操作性能的同时，减少内存的浪费，提高内存利用率。

1.2 整数集编码方式选择原理

虽然在Redis中，整数集（IntSet）的编码方式是根据元素的大小来自动选择的。整数集的编码方式有三种：INTSET_ENC_INT16、INTSET_ENC_INT32和INTSET_ENC_INT64，分别表示整数集中的元素都是16位、32位和64位的整数。

1.2.1 判断逻辑

当向整数集中添加元素时，Redis会根据新元素的大小和整数集中已有元素的大小，自动选择合适的编码方式。具体来说，如果新元素的大小可以放在整数集的当前编码方式中，就直接将新元素添加到整数集中；否则，Redis会根据新元素的大小和已有元素的大小，选择一个更大的编码方式，并将整数集中的所有元素转换为新的编码方式，然后再将新元素添加到整数集中。

1.2.2 举例说明

例如，假设整数集中已有32位整数，此时向整数集中添加一个16位整数。由于16位整数可以放在32位整数中，因此Redis会直接将新元素添加到整数集中，不需要进行编码方式的转换。但是，如果向上面的整数集中添加一个64位整数，由于64位整数无法放在32位整数中，Redis会选择64位编码方式，并将整数集中的所有元素转换为64位编码方式，然后再将新元素添加到整数集中。

整数集的自动编码方式选择可以在保证高效性能的同时，减少内存的浪费，提高内存利用率。在实际的Redis应用中，整数集被广泛应用于集合等数据结构的实现。通过使用整数集，Redis可以在保证高效的操作性能的同时，减少内存的浪费，提高内存利用率。

3.总结

在实际的Redis应用中，整数集被广泛应用于集合等数据结构的实现。通过使用整数集，Redis可以在保证高效的操作性能的同时，减少内存的浪费，提高内存利用率。