面試中常常問到的Redis七種數據類型，你都真正瞭解嗎？

前言

Redis不是一個簡單的鍵值對存儲，它其實是一個支持各類類型數據結構的存儲。在傳統的鍵值存儲中，是將字符串鍵關聯到字符串值，可是在Redis中，這些值不只限於簡單的字符串，還能夠支持更復雜的數據結構。下面就是Redis支持的數據結構：

• 字符串（String）：二進制安全字符串。
• 列表（List）：根據插入順序排序的字符串元素列表，基於鏈表實現。
• 集合（Set）：惟一的亂序的字符串元素的集合。
• 有序集合（Sorted Set）：與集合相似，可是每一個字符串元素都與一個稱爲score的數字相關聯。 元素老是按其score排序，而且能夠檢索必定score範圍的元素。
• 哈希（Hash）：由字段與值相關聯組成的映射，字段和值都是字符串。
• 位圖（Bitmap）:像操做位數組同樣操做字符串值，能夠設置和清除某個位，對全部爲1的位進行計數，找到第一個設置1的位，找到第一個設置0的位等等。
• HyperLogLogs：一種機率數據結構，使用較小的內存空間來統計惟一元素的數量，偏差小於1％。

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鍵（Key）

鍵是二進制安全的，這意味着您可使用任何二進制序列做爲鍵，能夠是OneMoreStudy這樣的字符串，也可使圖片文件的內容，空字符串也是有效的鍵。不過，還有一些其餘規則：

• 不要使用過長的鍵，好比一個1KB的鍵。不只是多佔內存方面的問題，而是在數據集中查找鍵可能須要進行一些耗時的鍵比較。若是真的有比較大的鍵，先對它進行哈希（好比：MD5、SHA1）是一個好主意。
• 也不要使用太短的鍵，好比：OMS100f，相對於one-more-study:100:fans，後者更具備可讀性。可能會佔用更多內存，可是相對於值所佔的內存，鍵所增長的內存仍是小不少的。咱們要找到一個平衡點，不長也不短。
• 多個字段以冒號分隔，一個字段內多個單詞以連詞符或點分隔，好比：one-more-study:100:fans，或者one.more.study:100:fans。
• 鍵容許的最大值爲512MB。

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字符串（String）

字符串類型是和鍵關聯的最簡單的類型。它是Memcached中惟一的數據類型，所以對於新手來講，在Redis中使用它也是很容易的。鍵是字符串類型，當咱們也使用字符串類型做爲值時，咱們會能夠從一個字符串映射到另外一個字符串。 字符串數據類型有不少應用場景，例如緩存HTML片斷或頁面。

下面簡單介紹一下字符串的命令（在redis-cli中使用）：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> get one-more-key
"OneMoreStudy"

使用SET和GET命令來設置和查詢字符串值的方式。須要注意的是，若是當前鍵已經和字符串值相關聯，SET命令將會替換已存儲在鍵中的現有值。字符串能夠是任意的二進制數據，好比jpeg圖像。字符串最多不能大於512MB。SET命令還有一些實用的可選參數，好比：

> set one-more-key Java nx   #若是key存在，則設置失敗。
(nil)
> set one-more-key Java xx   #若是key存在，才設置成功。
OK

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雖然字符串是Redis的基本值，但也可使用它們執行一些實用的操做。 好比：

> set one-more-counter 50
OK
> incr one-more-counter   #自增長1
(integer) 51
> incr one-more-counter   #自增長1
(integer) 52
> incrby one-more-counter 5   #自增長5
(integer) 57

INCR命令將字符串值解析爲整數，將其自增長1，最後將得到的值設置爲新值。 還有其餘相似的命令，例如INCRBY，DECR和DECRBY等命令。 INCR命令是原子操做，即時有多個客戶端同時同一個key的INCR命令，也不會進入競態條件。好比，上面的例子先設置one-more-counter的值爲50，即便兩個客戶端同時發出INCR命令，那麼最後的值也確定是52。

可使用MSET和MGET命令在單個命令中設置或查詢多個鍵的值，對於減小延遲也頗有用。好比：

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

使用MGET命令時，Redis返回一個值的數組。

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使用DEL命令能夠刪除鍵和相關聯的值，存在指定的鍵則返回1，不存在指定的鍵則返回0。使用EXISTS命令判斷Redis中是否存在指定的鍵，存在指定的鍵則返回1，不存在指定的鍵則返回0。好比：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> exists one-more-key
(integer) 1
> del one-more-key
(integer) 1
> exists one-more-key
(integer) 0

使用TYPE命令，能夠返回存儲在指定key的值的數據類型，好比：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> type one-more-key
string
> del one-more-key
(integer) 1
> type one-more-key
none

在討論更復雜的數據結構以前，咱們須要討論另外一個功能，該功能不管值類型是什麼都適用，它就是EXPIRE命令。 它能夠爲鍵設置到期時間，當超過這個到期時間後，該鍵將自動銷燬，就像對這個鍵調用了DEL命令同樣。好比：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> expire one-more-key 5
(integer) 1
> get one-more-key #馬上調用
"OneMoreStudy"
> get one-more-key #5秒鐘後調用
(nil)

上面的例子，適用了EXPIRE命令設置了過時時間，也可使用PERSIST命令移除鍵的過時時間，這個鍵將持久保持。除了EXPIRE命令，還可使用SET命令設置過時時間，好比：

> set one-more-key OneMoreStudy ex 10 #設置過時時間爲10秒
OK
> ttl one-more-key
(integer) 9

上面的例子，設置了一個字符串值OneMoreStudy的one-more-key，該鍵的到期時間爲10秒。以後，調用TTL命令以檢查該鍵的剩餘生存時間。

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到期時間可使用秒或毫秒精度進行設置，但到期時間的分辨率始終爲1毫秒。實際上，Redis服務器上存儲的不是到期時間長度，而是該鍵到期的時間。

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列表（List）

Redis列表是使用鏈表實現的，這就意味着在頭部或尾部增長或刪除一個的元素的時間複雜度是O(1)，很是快的。不過，按索引查詢對應元素的時間複雜度就是O(n)，慢不少。若是想快速查詢大量數據，可使用有序集合，後面會有介紹。

LPUSH命令將一個新元素添加到列表的左側（頂部），而RPUSH命令將一個新元素添加到列表的右側（底部）。最後，LRANGE命令能夠從列表中按範圍提取元素。好比：

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

LRANGE命令須要另外兩個參數，要返回的第一個元素的索引和最後一個元素的索引。若是索引爲負值，Redis將從末尾開始計數，-1是列表的最後一個元素，-2是列表的倒數第二個元素，依此類推。

LPUSH和RPUSH命令支持多個參數，可使用一次命令添加多個元素，好比：

> rpush one-more-list 1 2 3 4 5 "last"
(integer) 9
> lrange one-more-list 0 -1
1) "first"
2) "A"
3) "B"
4) "1"
5) "2"
6) "3"
7) "4"
8) "5"
9) "last"

在Redis列表上，也能夠移除並返回元素。 與LPUSH和RPUSH命令，對應的就是LPOP和RPOP命令，LPOP命令是將列表的左側（頂部）的元素移除並返回，RPOP命令是將列表的右側（底部）的元素移除並返回。好比：

> rpush one-more-list a b c
(integer) 3
> rpop one-more-list
"c"
> rpop one-more-list
"b"
> rpop one-more-list
"a"

咱們添加了三個元素，並移除並返回了三個元素，此時列表爲空，沒有任何元素。若是再使用RPOP命令，會返回一個NULL值：

> rpop one-more-list
(nil)

使用RPUSH和RPOP命令，或者LPUSH和LPOP命令能夠實現棧的功能，使用LPUSH和RPOP命令，或者RPUSH和LPOP命令能夠實現隊列的功能。也能夠實現生產者和消費者模式，好比多個生產者使用LPUSH命令將任務添加到列表中，多個消費者使用RPOP命令將任務從列表中取出。可是，有時列表可能爲空，沒有任何要處理的任務，所以RPOP命令僅返回NULL。在這種狀況下，消費者被迫等待一段時間，而後使用RPOP命令重試。這就暴露了有幾個缺點：

1. 客戶端和服務端之間能夠處理無用的命令，由於在列表爲空時的全部請求將沒法完成任何實際工做，它們只會返回NULL。
2. 因爲消費者在收到NULL以後會等待一段時間，所以會增長任務處理的延遲。爲了減少延遲，咱們能夠在兩次調用RPOP之間等待更少的時間，這就擴大了更多對Redis的無用調用。

有什麼辦法能夠解決呢？使用BRPOP和BLPOP的命令，它們和RPOP和LPOP命令相似，惟一的區別是：若是列表爲空時，命令會被阻塞，直到有新元素添加到列表中，或指定的超時時間到了時，它們纔會返回到調用方。好比：

> brpop tasks 5

它含義是，列表爲空時，等待列表中的元素，但若是5秒鐘後沒有新的元素被添加，則返回。您能夠將超時時間傳入0，表示永遠等待元素添加。也能夠傳入多個列表，這時會按參數前後順序依次檢查各個列表，返回第一個非空列表的尾部元素。另外還有如下3點須要注意的：

1. 當列表爲空，而且有多個客戶端在等待時，有一個新的元素被添加到列表中，它會被第一個等待的客戶端獲取到，以此類推。
2. 返回值與RPOP命令相比有所不一樣，它是一個包含兩個元素的數組，包含key和對應的元素，由於BRPOP和BLPOP命令可以阻止等待來自多個列表的元素。
3. 超過了超時時間，會返回NULL。

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列表的建立和刪除都是由Redis自動完成的，當嘗試向不存在的鍵添加元素時，Redis會自動建立一個空的列表；當最後一個元素被移除時，Redis會自動刪除這個列表。這不是特定於列表的，它適用於由多個元素組成的全部Redis數據類型，好比集合、有序集合、哈希，它們都有3條規則：

1. 當咱們將元素添加到聚合數據類型時，若是目標鍵不存在，則在添加元素以前會建立一個空的聚合數據類型。好比：

> del one-more-list
(integer) 1
> lpush one-more-list 1 2 3
(integer) 3

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可是，在鍵存在時，就不能操做錯誤的數據類型了，好比：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> lpush one-more-key 1 2 3
(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
> type one-more-key
string

1. 當咱們從聚合數據類型中刪除元素時，若是該值保持爲空，則key將自動銷燬。好比：

> lpush one-more-list 1 2 3
(integer) 3
> exists one-more-list
(integer) 1
> lpop one-more-list
"3"
> lpop one-more-list
"2"
> lpop one-more-list
"1"
> exists one-more-list
(integer) 0

1. 當對應key不存在，而且調用只讀命令（如LLEN命令，獲取列表長度）或寫命令（如LPOP命令）時，都會返回空聚合數據類型的結果。好比：

> del one-more-list
(integer) 0
> llen one-more-list
(integer) 0
> lpop one-more-list
(nil)

Redis爲了追求高性能，列表的內部實現不是一個簡單的鏈表，這裏先賣個關子，後續的文章會詳細介紹。

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集合（Set）

集合是一個字符串的無序集合，SADD命令能夠將新元素添加到集合中。還能夠對集合進行許多其餘操做，例如：判斷給定元素是否已存在、執行多個集合之間的交集、並集或差等等。好比：

> sadd one-more-set 1 2 3
(integer) 3
> smembers one-more-set
1) "1"
2) "3"
3) "2"

在上面的例子中，在集合中添加了三個元素，並讓Redis返回全部元素。 正如你所見，返回的元素是沒有排序的。在每次調用時，元素的順序都有可能不同。

還可使用SISMEMBER命令判斷給定元素是否已存在，好比：

> sismember one-more-set 3
(integer) 1
> sismember one-more-set 30
(integer) 0

在上面的例子中，3在集合中，因此返回1；而30不在集合中，因此返回0。

可使用SINTER命令，計算出多個集合的交集；使用SUNION命令，計算多個集合的並集；使用SPOP命令，移除並返回集合中的一個隨機元素；使用SCARD命令，計算集合中的元素的數量。好比：

> sadd one-more-set1 1 2 3
(integer) 3
> sadd one-more-set2 2 3 4
(integer) 3
> sinter one-more-set1 one-more-set2 #交集
1) "3"
2) "2"
> sunion one-more-set1 one-more-set2 #並集
1) "1"
2) "3"
3) "2"
4) "4"
> spop one-more-set1 #隨機移除一個元素
"3"
> scard one-more-set1 #元素數量
(integer) 2

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有序集合（Sorted Set）

有序集合是一種相似於集合和哈希之間混合的數據類型。像集合同樣，有序集合中由惟一的、非重複的字符串元素組成，所以從某種意義上說，有序集合也是一個集合。可是集合中的元素是沒有排序的，而有序集合中的每一個元素都與一個稱爲分數（score）的浮點值相關聯，這就是爲何有序集合也相似於哈希的緣由，由於每一個元素都映射到一個值。有序集合的排序規則以下：

• 若是A和B是兩個具備不一樣分數的元素，那麼若是A.分數>B.分數，則A>B。
• 若是A和B的分數徹底相同，那麼若是A字符串在字典排序上大於B字符串，則A>B。 A和B字符串不能相等，由於有序集合中的元素都是惟一的。

咱們來舉個例子，把王者榮耀戰隊的名字和積分添加到有序集合中，其中把戰隊的名字做爲值，把戰隊的積分做爲分數。

> zadd kpl 12 "eStarPro"
(integer) 1
> zadd kpl 12 "QGhappy"
(integer) 1
> zadd kpl 10 "XQ"
(integer) 1
> zadd kpl 8 "EDG.M"
(integer) 1
> zadd kpl 8 "RNG.M"
(integer) 1
> zadd kpl 4 "TES"
(integer) 1
> zadd kpl 2 "VG"
(integer) 1

如上所示，ZADD命令和SADD命令類似，可是多了一個額外的參數（在要添加的元素的前面）做爲分數。ZADD命令也支持多個參數，雖然在上面的例子中未使用它，但你也能夠指定多個分數和值對。使用有序集合，快速地返回按其積分排序的戰隊列表，由於實際上它們已經被排序了。

須要注意的是，爲了快速獲取有序集合中的元素，每次添加元素的時間複雜度都爲O(log(N))，這是由於有序集合是同時使用跳躍表和字典來實現的，具體原理這裏先賣個關子，後續的文章會詳細介紹。

可使用ZRANGE命令按照升序獲取對應的值，好比：

> zrange kpl 0 -1
1) "VG"
2) "TES"
3) "EDG.M"
4) "RNG.M"
5) "XQ"
6) "QGhappy"
7) "eStarPro"

0和-1表明查詢從第一個到最後一個的元素。還可使用ZREVRANGE命令按照降序獲取對應的值，好比：

> zrevrange kpl 0 -1
1) "eStarPro"
2) "QGhappy"
3) "XQ"
4) "RNG.M"
5) "EDG.M"
6) "TES"
7) "VG"

加上WITHSCORES參數，就能夠連同分數一塊兒返回，好比：

> zrange kpl 0 -1 withscores
 1) "VG"
 2) "2"
 3) "TES"
 4) "4"
 5) "EDG.M"
 6) "8"
 7) "RNG.M"
 8) "8"
 9) "XQ"
10) "10"
11) "QGhappy"
12) "12"
13) "eStarPro"
14) "12"

有序集合還有更強大的功能，好比在分數範圍內操做，讓咱們獲取小於10（含）的戰隊，使用ZRANGEBYSCORE命令：

> zrangebyscore kpl -inf 10
1) "VG"
2) "TES"
3) "EDG.M"
4) "RNG.M"
5) "XQ"

這就是獲取分數從負無窮到10所對應的值，一樣的咱們也能夠獲取分數從4到10所對應的值：

> zrangebyscore kpl 4 10
1) "TES"
2) "EDG.M"
3) "RNG.M"
4) "XQ"

另外有用的命令：ZRANK命令，它能夠返回指定值的升序排名（從0開始）；ZREVRANK命令，它能夠返回指定值的降序排名（從0開始），好比：

> zrank kpl "EDG.M"
(integer) 2
> zrevrank kpl "EDG.M"
(integer) 4

有序集合的分數是隨時更新的，只要對已有的有序集合調用ZADD命令，就會以O(log(N))時間複雜度更新其分數和排序。這樣，當有大量更新時，有序集合是合適的。因爲這種特性，常見的場景是排行榜，能夠方便地顯示排名前N位的用戶和用戶在排行榜中的排名。

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哈希（Hash）

Redis的哈希和人們指望的「哈希」結構是同樣的，它是一個無序哈希，內部存儲了不少鍵值對，好比：

> hmset one-more-fans:100 name Lily age 25
OK
> hget one-more-fans:100 name
"Lily"
> hget one-more-fans:100 age
"25"
> hgetall one-more-fans:100
1) "name"
2) "Lily"
3) "age"
4) "25"

儘管哈希很容易用來表示對象，可是實際上能夠放入哈希中的字段數是沒有實際限制的，所以您能夠以更多種的不一樣方式使用哈希。除了HGET命令獲取單個字段對應的值，也可使用HMSET命令獲取多個字段及對應的值，它返回的是一個數組，好比：

> hmget one-more-fans:100 name age non-existent-field
1) "Lily"
2) "25"
3) (nil)

還可使用HINCRBY命令，爲指定字段的值作增量，好比：

> hget one-more-fans:100 age
"25"
> hincrby one-more-fans:100 age 3
(integer) 28
> hget one-more-fans:100 age
"28"

Redis哈希的實現結構，和Java中的HashMap是同樣的，也是「數組+鏈表」的結構，當發生數組位置碰撞是，就會將碰撞的元素用鏈表串起來。不過Redis爲了追求高性能，rehash的方式不太同樣，這裏先賣個關子，後續的文章會詳細介紹。

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位圖（Bitmap）

位圖不是實際的數據類型，而是在String類型上定義的一組面向位的操做。 因爲字符串是二進制安全的，而且最大長度爲512MB，所以能夠設置多達2^32個不一樣的位。位圖操做分爲兩類：固定單個位操做，好比將一個位設置爲1或0或獲取其值；對位組的操做，好比計算給定位範圍內設置位的數量。

位圖的最大優勢之一是，它們在存儲信息時一般能夠節省大量空間。例如，在以增量用戶ID位標識表示用戶是否要接收新聞通信，僅使用512 MB內存就能夠記住40億用戶的一位信息。

使用SETBIT和GETBIT命令來設置和獲取指定位，好比：

> setbit one-more-key 10 1
(integer) 0
> getbit one-more-key 10
(integer) 1
> getbit one-more-key 11
(integer) 0

SETBIT命令將位號做爲其第一個參數，將其設置爲1或0的值做爲其第二個參數。若是位號超出當前字符串長度，該命令將會自動擴大字符串。GETBIT命令只是返回指定位號的位的值，若是位號超出存儲的字符串長度則會返回0。

對位組的操做有如下3個命令：

1. BITOP命令能夠在不一樣的字符串之間執行按位運算，提供的位運算有與、或、非和異或。
2. BITCOUNT命令能夠統計指定範圍內位數爲1的個數。
3. BITPOS命令能夠查找指定範圍內爲0或1的第一位。

> set one-more-key "\x13\x7f" #二進制爲0001 0011 0111 1111
OK
> bitcount one-more-key #整個字符串中1的位數
(integer) 10
> bitcount one-more-key 0 0 #第一個字符（0001 0011）中1的位數
(integer) 3
> bitcount one-more-key 1 1 #第二個字符（0111 1111）中1的位數
(integer) 7
> bitpos one-more-key 0 #整個字符串中第一個0位
(integer) 0
> bitpos one-more-key 1 #整個字符串中第一個1位
(integer) 3
> bitpos one-more-key 1 0 0 #第一個字符（0001 0011）中第一個1位
(integer) 3
> bitpos one-more-key 1 1 1 #第二個字符（0111 1111）中第一個1位
(integer) 9

位圖能夠應用於各種實時分析，也能夠節省空間高效地存儲位信息。好比，記錄用戶天天的簽到數據，每個位表示用戶是否簽到過，這樣就能夠計算出某個時間段用戶簽到了幾回，某個時間段用戶第一次簽到是哪一天。

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HyperLogLogs

HyperLogLog是一種機率數據結構，用於統計惟一元素的數量，也能夠理解爲估計集合中元素的個數。

一般狀況下，對惟一元素進行統計數量時，須要使用與要統計的元素數量成比例的內存量，由於須要記住過去已經看到的元素，以免屢次對其進行統計。可是，有一組算法能夠之內存換取精度，最終會獲得帶有標準偏差的估計數量，在Redis的HyperLogLogs中，該偏差小於1％。

這個算法的神奇之處在於，再也不須要使用與所統計元素數量成比例的內存量，而可使用恆定數量的內存。在最壞的狀況下佔據12KB的內存空間，Redis對HyperLogLog的存儲進行了優化，在計數比較少時，佔據的內存空間會更小，這裏先賣個關子，後續的文章會詳細介紹其中原理。

在集合中，能夠將每一個元素添加到集合中，並使用SCARD命令獲取集合中的元素數量，由於SADD命令不會從新添加現有元素，因此元素都是惟一的。HyperLogLog的操做和集合比較相似，使用PFADD命令將元素添加到HyperLogLog中，相似於集合的SADD命令；使用PFCOUNT命令獲取HyperLogLog中的惟一元素的當前近似值數量，相似於集合的SCARD命令。好比：

> pfadd one-more-hll a b c d e
(integer) 1
> pfcount one-more-hll 
(integer) 5

Redis中的HyperLogLog儘管在技術上是不一樣的數據結構，但被編碼爲字符串，所以能夠調用GET命令來序列化HyperLogLog，而後調用SET命令來將其反序列化回服務器。

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總結

Redis提供更加豐富的數據結構，鍵（Key）和字符串（String），都是二進制安全的字符串；列表（List），根據插入順序排序的字符串元素列表，基於鏈表實現；集合（Set），惟一的亂序的字符串元素的集合；有序集合（Sorted Set），與集合相似，可是每一個字符串元素都與一個稱爲score的數字相關聯；哈希（Hash），由字段與值相關聯組成的映射，字段和值都是字符串；位圖（Bitmap），像操做位數組同樣操做字符串值，能夠設置和清除某個位，對全部爲1的位進行計數，找到第一個設置1的位，找到第一個設置0的位等等；HyperLogLogs，一種機率數據結構，使用較小的內存空間來統計惟一元素的數量，偏差小於1％。

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