【Redis基础知识 二】Redis数据结构概述

上一篇博客讲了Redis的概要，本篇内容主要学习下Redis的数据结构和一些常用命令，以及这些数据结构在上一篇里的应用场景有哪些，为什么这个数据结构比较适用于该场景。

五种常用数据结构

Redis是高性能键值对数据库，支持的键值数据类型：字符串类型 ，散列类型，列表类型 ，集合类型，有序集合类型 , 这些类型的操作方式和结构需要详细了解下。

Redis 字符串(String)

字符串的操作命令有很多，常用的操作命令有如下几种，涉及到：设置及获取值，获取并修改值，自增值，自减值，追加字符串等操作：

• set key value：设置指定 key 的值。
• get key：获取指定 key 的值。
• getset key value：将给定 key 的值设为 value ，并返回 key 的旧值(old value)。
• incr key：将 key 中储存的数字值增一。
• incr key increment：将 key 所储存的值加上给定的增量值（increment）
• decr key :将 key 中储存的数字值减一。
• decr key decrement：key 所储存的值减去给定的减量值（decrement） 。
• append key value：如果 key 已经存在并且是一个字符串， APPEND 命令将指定的 value 追加到该 key 原来值（value）的末尾。
• del key：删除该key。

以下操作都是O（1）实际操作如下图所示：

注意：这里 append name tml 命令展示的是两段字符串追加后的长度

注意：这里 append num 6 命令可不是数字的增加，而是字符串的拼接。

Redis 哈希(Hash)

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。Redis 中每个 hash 可以存储 232 - 1 键值对（40多亿）。类似于String Key和String Value的map容器。

• hset key field value：将哈希表 key 中的字段 field 的值设为 value 。
• hget key field：获取存储在哈希表中指定字段的值。
• hmset key field1 value1 field2 value2 ...：同时将多个 field-value (域-值)对设置到哈希表 key 中。时间复杂度为O（n）
• hmget key field1 field2...：获取所有给定字段的值。时间复杂度为O（n）
• hgetall key：获取在哈希表中指定 key 的所有字段和值 。时间复杂度为O（n）
• hdel key field1 field2... :删除一个或多个哈希表字段。返回值为0则表示删除的属性不存在
• del key：删除该key，也就是删除该哈希。

关于赋值取值和删除的操作如下图所示,当然del key 的时候返回的是不存在，即hash表被删除了：

还有一些自增及判断的命令：

• hincrby key field increment：为哈希表 key 中的指定字段的整数值加上增量 increment 。
• hlen key：获取哈希表中字段的数量
• hvals key：同时将多个 field-value (域-值)对设置到哈希表 key 中。时间复杂度为O（n）
• hexists key field：查看哈希表 key 中，指定的字段是否存在。时间复杂度为O（n）

可以依据以上命令进行一些更加复杂的操作，如下图所示：

Redis 列表(List)

Redis列表是quicklist（快速列表）的数据结构。 quicklist是由ziplist（压缩列表）和linkedlist （普通链表组成），按照插入顺序排序。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 232 - 1 个元素 (4294967295, 每个列表超过40亿个元素)。Redis列表相当于Java里的LinkedList（基于双向循环链表）和ziplist的组合，注意它是链表而不是数组。这意味着list的插入和删除操作非常快时间复杂度为O（1），查询定位很慢，时间复杂度为O（n）。

简单常用的一些相关相关命令：

• lpush key value1 [value2]：将一个或多个值插入到列表头部,从左侧添加，最后添加的在最左边
• lrange key start stop：获取列表指定范围内的元素, 假如共有6个元素，[0,-2]表示从列表头到倒数第二个，[0,-1]和[0,5]效果一样。
• rpush key value1 [value2]：将一个或多个值插入到列表尾部,从右侧添加，最后添加的在最右边
• lpop key：移出并获取列表的第一个元素,弹出列表头
• rpop key：移除列表的最后一个元素，返回值为移除的元素。
• llen key：获取列表长度。
• lpushx key value：将一个值插入到已存在的列表头部，仅队列存在时有效。当队列不存在时，不进行任何操作。
• rpushx key value：将一个值插入到已存在的列表尾部，仅队列存在时有效。当队列不存在时，不进行任何操作。

操作实例，对队列tml进行操作。

当然还有些相对复杂的命令：

• lrem key count value：移除count个为value的元素，如果count大于0，则从左向右数，如果count小于0，从右向左数，如果count等于0，删除全部为value的元素。
• lset key index value：通过索引设置列表元素的值,列表头的索引是0.
• linsert key before|after pivot value：在列表的元素前或者后插入元素

实操的效果如下图所示：

当然还有一种命令比较适用某种业务场景：

• rpoplpush sourcelist destinationlist：移除列表的最后一个元素，并将该元素添加到另一个列表并返回，

命令实操如下图所示：

命令 rpoplpush sourcelist destinationlist经常用于消息队列，一个程序正在执行lpush向列表中插入数据，该程序是生产者，一个程序正在执行rpop向列表中取出数据，该程序是消费者。消息只存在于二者的上下文之间，如果消息取出后消费者程序奔溃，则消息被永久的丢失了。解决方案是消费者程序从主消息队列中取出消息并且还通过rpoplpush存放到备份队列中，消费者程序正常执行后删除该备份队列里的消息，如果备份队列里的消息过期，说明消费者程序没使用该消息（使用意味着删除备份队列里的消息），则从备份队列放到主队列，方便其他消费者使用。这样消息就永远不会丢失了，是安全队列的实现原理。

Redis 集合(Set)

Redis 的 Set 是 String 类型的无序集合。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。集合中最大的成员数为 232 - 1 (4294967295, 每个集合可存储40多亿个成员)。

• sadd key member1 [member2]：向集合添加一个或多个成员
• srem key member1 [member2]：移除集合中一个或多个成员
• smembers key：返回集合中的所有成员
• sismember key member：判断 member 元素是否是集合 key 的成员
• scard key：获取集合的成员数
• srandmember key [count]：返回集合中一个或多个随机数
• spop key：移除并返回集合中的一个随机元素

命令实操图如下所示：

set集合之间的操作通过如下命令实现：

• sdiff key1 [key2]：返回给定所有集合的差集,两个集合的第一个不同数字。
• sdiffstore destination key1 [key2]：返回给定所有集合的差集并存储在 destination 中
• sinter key1 [key2]：返回给定所有集合的交集
• sinterstore destination key1 [key2]：返回给定所有集合的交集并存储在 destination 中
• sunion key1 [key2]：返回所有给定集合的并集
• sunionstore destination key1 [key2]：返回所有给定集合的并集存储在 destination 集合中
• smove source destination member：将 member 元素从 source 集合移动到 destination 集合

实操效果如下图所示：

常用的使用场景是set里存储唯一的访问ip。还有一种是：所有购买某一个电子设备的id存储在一个set中，购买另外一个电子设备的id存储在set中，使用交集操作获取同时购买两个电子设备的id。

Redis 有序集合(sorted set)

redis 有序集合和集合一样也是string类型元素的集合,且不允许重复的成员。不同的是每个元素都会关联一个double类型的分数。redis正是通过分数来为集合中的成员进行从小到大的排序。有序集合的成员是唯一的,但分数(score)却可以重复。添加和删除都需要修改skiplist，所以复杂度为O(log(n))。 但是如果仅仅是查找元素的话可以直接使用hash，其复杂度为O(1)。 其他的range操作复杂度一般为O(log(n))当然如果是小于64的时候，因为是采用了ziplist的设计，其时间复杂度为O(n)。 集合中最大的成员数为 232 - 1 (4294967295, 每个集合可存储40多亿个成员)。set集合之间的操作通过如下命令实现：

• zadd key score1 member1 [score2 member2]：向有序集合添加一个或多个成员，或者更新已存在成员的分数
• zscore key member：返回有序集中，成员的分数值
• zcard key：获取有序集合的成员数
• zrem key member [member ...]：移除有序集合中的一个或多个成员
• zrange key start stop [withscores]：通过索引区间返回有序集合成指定区间内的成员,如果需要同时返回scores ,带上后边那段,默认分数从低到高
• zrevrange key start stop [withscores]：返回索引区间集中指定区间内的成员，分数从高到底
• zrangebyscore key min max [withscores] [limit]：通过分数区间返回有序集合指定区间内的成员,默认分数从低到高
• zremrangebyrank key start stop：移除有序集合中给定的排名区间的所有成员
• zremrangebyscore key min max：移除有序集合中给定的分数区间的所有成员
• zincrby key increment member：有序集合中对指定成员的分数加上增量 increment
• zcount key min max：计算在有序集合中指定区间分数的成员数

实操如下图所示：

主要使用场景是排行榜！，玩家分数变化可以更新玩家分数，然后再次获取积分信息。

数据结构常用场景

通过N天的学习，终于了解了这些数据结构，并且实操手打了一遍命令，通过命令的编写实际的体验了一波redis，感觉这些数据结构的设计简直就是针对现在web2.0的使用场景量身定做啊，再次梳理下场景：

• String，redis对于KV的操作效率很高，可以直接用作计数器。例如，统计在线人数等等，另外string类型是二进制存储安全的，所以也可以使用它来存储图片，甚至是视频等。
• hash，存放键值对，一般可以用来存某个对象的基本属性信息，例如，用户信息，商品信息等，另外，由于hash的大小在小于配置的大小的时候使用的是ziplist结构，比较节约内存，所以针对大量的数据存储可以考虑使用hash来分段存储来达到压缩数据量，节约内存的目的，例如，对于大批量的商品对应的图片地址名称。比如：商品编码固定是10位，可以选取前7位做为hash的key,后三位作为field，图片地址作为value。这样每个hash表都不超过999个，只要把redis.conf中的hash-max-ziplist-entries改为1024，即可。
• list，列表类型，可以用于实现消息队列，也可以使用它提供的range命令，做分页查询功能。
• set，集合，整数的有序列表可以直接使用set。可以用作某些去重功能，例如用户名不能重复等，另外，还可以对集合进行交集，并集操作，来查找某些元素的共同点。
• zset，有序集合，可以使用范围查找，排行榜功能或者topN功能。

总而言之，string当做计数器，hash存储对象，list实现消息队列（安全队列），set用来去重和联表查询，zset用来做排行榜。

总结

这篇博客的工作量较大，详细的学习了下redis的数据结构并且思考了下为什么要使用这样的结构，以及不同的数据结构能应对哪些使用场景。当然目前而言对Redis数据结构的了解不算太深,例如跳跃列表。按照刷墙式学习，之后涂抹第二层的时候可以更加深入一些。继续加油，在6月底前对Redis有个大概的了解，6月之后再进行业务场景的深入使用式理解。