深度分析：Redis 的數據結構及其使用場景分析，原來這麼簡單？

Redis基礎數據結構有哪些？

1、String（字符串）

在任何一種編程語言裏，字符串String都是最基礎的數據結構， 那你有想過Redis中存儲一個字符串都進行了哪些操做嘛？

在Redis中String是能夠修改的，稱爲動態字符串(Simple Dynamic String簡稱SDS)（快拿小本本記名詞，要考的），說是字符串但它的內部結構更像是一個ArrayList，內部維護着一個字節數組，而且在其內部預分配了必定的空間，以減小內存的頻繁分配。

Redis的內存分配機制是這樣：

• 當字符串的長度小於 1MB時，每次擴容都是加倍現有的空間。
• 若是字符串長度超過 1MB時，每次擴容時只會擴展 1MB 的空間。

這樣既保證了內存空間夠用，還不至於形成內存的浪費，字符串最大長度爲512MB.。

上圖就是字符串的基本結構，其中content裏面保存的是字符串內容，0x\0做爲結束字符不會被計算len中。

分析一下字符串的數據結構

struct SDS{
  T capacity;       //數組容量
  T len;            //實際長度
  byte flages;  //標誌位,低三位表示類型
  byte[] content;   //數組內容
}
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capacity和len兩個屬性都是泛型，爲何不直接用int類型？由於Redis內部有不少優化方案，爲更合理的使用內存，不一樣長度的字符串採用不一樣的數據類型表示，且在建立字符串的時候len會和capacity同樣大，不產生冗餘的空間，因此String值能夠是字符串、數字（整數、浮點數) 或者 二進制。

一、應用場景：

存儲key-value鍵值對，這個比較簡單不細說了

二、字符串（String）經常使用的命令：

set   [key]  [value]   給指定key設置值（set 可覆蓋老的值）

get  [key]   獲取指定key 的值

del  [key]   刪除指定key

exists  [key]  判斷是否存在指定key

mset  [key1]  [value1]  [key2]  [value2] ...... 批量存鍵值對

mget  [key1]  [key2] ......   批量取key

expire [key]  [time]    給指定key 設置過時時間  單位秒

setex    [key]  [time]  [value]  等價於 set + expire 命令組合

setnx  [key]  [value]   若是key不存在則set 建立，不然返回0

incr   [key]           若是value爲整數 可用 incr命令每次自增1

incrby  [key] [number]  使用incrby命令對整數值 進行增長 number
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2、list(列表)

Redis中的list和Java中的LinkedList很像，底層都是一種鏈表結構，list的插入和刪除操做很是快，時間複雜度爲 0(1)，不像數組結構插入、刪除操做須要移動數據。

像歸像，可是redis中的list底層可不是一個雙向鏈表那麼簡單。

當數據量較少的時候它的底層存儲結構爲一塊連續內存，稱之爲ziplist(壓縮列表)，它將全部的元素緊挨着一塊兒存儲，分配的是一塊連續的內存；當數據量較多的時候將會變成quicklist(快速鏈表)結構。

可單純的鏈表也是有缺陷的，鏈表的先後指針prev和next會佔用較多的內存，會比較浪費空間，並且會加劇內存的碎片化。在redis 3.2以後就都改用ziplist+鏈表的混合結構，稱之爲quicklist(快速鏈表)。

下面具體介紹下兩種鏈表

ziplist(壓縮列表)

先看一下ziplist的數據結構，

struct ziplist<T>{
    int32 zlbytes;            //壓縮列表佔用字節數
    int32 zltail_offset;    //最後一個元素距離起始位置的偏移量,用於快速定位到最後一個節點
    int16 zllength;            //元素個數
    T[] entries;            //元素內容
    int8 zlend;                //結束位 0xFF
}
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int32 zlbytes： 壓縮列表佔用字節數  int32 zltail_offset： 最後一個元素距離起始位置的偏移量,用於快速定位到最後一個節點

`int16 zllength`：元素個數
`T[] entries`：元素內容
`int8 zlend`：結束位 0xFF

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壓縮列表爲了支持雙向遍歷，因此纔會有ztail_offset這個字段，用來快速定位到最後一  個元素，而後倒着遍歷

entry的數據結構：

struct entry{
    int<var> prevlen;            //前一個 entry 的長度
    int<var> encoding;            //元素類型編碼
    optional byte[] content;    //元素內容
}
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entry它的prevlen字段表示前一個entry的字節長度，當壓縮列表倒着遍歷時，須要經過這  個字段來快速定位到下一個元素的位置。

一、應用場景：

因爲list它是一個按照插入順序排序的列表，因此應用場景相對還較多的，例如：

• 消息隊列：lpop和rpush（或者反過來，lpush和rpop）能實現隊列的功能
• 朋友圈的點贊列表、評論列表、排行榜：lpush命令和lrange命令能實現最新列表的功能，每次經過lpush命令往列表裏插入新的元素，而後經過lrange命令讀取最新的元素列表。

二、list操做的經常使用命名：

rpush  [key] [value1] [value2] ......    鏈表右側插入

rpop    [key]  移除右側列表頭元素，並返回該元素

lpop   [key]    移除左側列表頭元素，並返回該元素

llen  [key]     返回該列表的元素個數

lrem [key] [count] [value]  刪除列表中與value相等的元素，count是刪除的個數。 count>0 表示從左側開始查找，刪除count個元素，count<0 表示從右側開始查找，刪除count個相同元素，count=0 表示刪除所有相同的元素

(PS:   index 表明元素下標，index 能夠爲負數， index= 表示倒數第一個元素，同理 index=-2 表示倒數第二 個元素。)

lindex [key] [index]  獲取list指定下標的元素 （須要遍歷，時間複雜度爲O(n)）

lrange [key]  [start_index] [end_index]   獲取list 區間內的全部元素 （時間複雜度爲 O（n））

ltrim  [key]  [start_index] [end_index]   保留區間內的元素，其餘元素刪除（時間複雜度爲 O（n））
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3、hash （字典）

Redis中的Hash和 Java的HashMap更加類似，都是數組+鏈表的結構，當發生 hash 碰撞時將會把元素追加到鏈表上，值得注意的是在Redis的Hash中value只能是字符串.

hset books java "Effective java" (integer) 1
hset books golang "concurrency in go" (integer) 1
hget books java "Effective java"
hset user age 17 (integer) 1
hincrby user age 1    #單個 key 能夠進行計數 和 incr 命令基本一致 (integer) 18
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Hash和String均可以用來存儲用戶信息 ，但不一樣的是Hash能夠對用戶信息的每一個字段單獨存儲；String存的是用戶所有信息通過序列化後的字符串，若是想要修改某個用戶字段必須將用戶信息字符串所有查詢出來，解析成相應的用戶信息對象，修改完後在序列化成字符串存入。而 hash能夠只對某個字段修改，從而節約網絡流量，不過hash內存佔用要大於String，這是hash的缺點。

一、應用場景：

• 購物車：hset [key] [field] [value]命令， 能夠實現以用戶Id，商品Id爲field，商品數量爲value，剛好構成了購物車的3個要素。
• 存儲對象：hash類型的(key, field, value)的結構與對象的(對象id, 屬性, 值)的結構類似，也能夠用來存儲對象。

二、hash經常使用的操做命令：

hset  [key]  [field] [value]    新建字段信息

hget  [key]  [field]    獲取字段信息

hdel [key] [field]  刪除字段

hlen  [key]   保存的字段個數

hgetall  [key]  獲取指定key 字典裏的全部字段和值 （字段信息過多,會致使慢查詢 慎用：親身經歷 曾經用過這個這個指令致使線上服務故障）

hmset  [key]  [field1] [value1] [field2] [value2] ......   批量建立

hincr  [key] [field]   對字段值自增

hincrby [key] [field] [number] 對字段值增長number
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4、set(集合)

Redis中的set和Java中的HashSet有些相似，它內部的鍵值對是無序的、惟一 的。它的內部實現至關於一個特殊的字典，字典中全部的value都是一個值 NULL。當集合中最後一個元素被移除以後，數據結構被自動刪除，內存被回收。

一、應用場景：

• 好友、關注、粉絲、感興趣的人集合：  1)sinter命令能夠得到A和B兩個用戶的共同好友；  2)sismember命令能夠判斷A是不是B的好友；  3)scard命令能夠獲取好友數量；  4) 關注時，smove命令能夠將B從A的粉絲集合轉移到A的好友集合
• 首頁展現隨機：美團首頁有不少推薦商家，可是並不能所有展現，set類型適合存放全部須要展現的內容，而srandmember命令則能夠從中隨機獲取幾個。
• 存儲某活動中中獎的用戶ID ，由於有去重功能，能夠保證同一個用戶不會中獎兩次。

二、set的經常使用命令：

sadd  [key]  [value]  向指定key的set中添加元素

smembers [key]    獲取指定key 集合中的全部元素

sismember [key] [value]   判斷集合中是否存在某個value

scard [key]    獲取集合的長度

spop  [key]   彈出一個元素

srem [key] [value]  刪除指定元素
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5、zset(有序集合)

zset也叫SortedSet一方面它是個set，保證了內部 value 的惟一性，另方面它能夠給每一個 value 賦予一個score，表明這個value的排序權重。它的內部實現用的是一種叫做「跳躍列表」的數據結構。

一、應用場景：

zset能夠用作排行榜，可是和list不一樣的是zset它可以實現動態的排序，例如： 能夠用來存儲粉絲列表，value 值是粉絲的用戶 ID，score 是關注時間，咱們能夠對粉絲列表按關注時間進行排序。

zset還能夠用來存儲學生的成績，value值是學生的 ID,score是他的考試成績。 咱們對成績按分數進行排序就能夠獲得他的名次。

二、zset有序集合的經常使用操做命令：

zadd [key] [score] [value] 向指定key的集合中增長元素

zrange [key] [start_index] [end_index] 獲取下標範圍內的元素列表，按score 排序輸出

zrevrange [key] [start_index] [end_index]  獲取範圍內的元素列表 ，按score排序 逆序輸出

zcard [key]  獲取集合列表的元素個數

zrank [key] [value]  獲取元素再集合中的排名

zrangebyscore [key] [score1] [score2]  輸出score範圍內的元素列表

zrem [key] [value]  刪除元素

zscore [key] [value] 獲取元素的score
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