深入剖析Redis系列(五) - Redis資料結構之字串

零壹技術棧發表於2018-10-09
Redis資料結構字串

前言

字串型別 是 Redis 最基礎的資料結構。字串型別 的值實際可以是 字串（簡單 和 複雜 的字串，例如 JSON、XML）、數字（整數、浮點數），甚至是 二進位制（圖片、音訊、視訊），但是值最大不能超過 512MB。

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正文

1. 相關命令

1.1. 常見命令

1.1.1. 設定值

set key value [ex seconds] [px milliseconds] [nx|xx]

set 命令有幾個選項：

  1. ex seconds：為 鍵 設定 秒級過期時間。
  2. px milliseconds：為 鍵 設定 毫秒級過期時間。
  3. nx：鍵必須 不存在，才可以設定成功，用於 新增。
  4. xx：與 nx 相反，鍵必須 存在，才可以設定成功，用於 更新。

除了 set 選項，Redis 還提供了 setex 和 setnx 兩個命令：

setex key seconds value setnx key value

  • setex：設定鍵的值，並指定此鍵值對應的 有效時間。
127.0.0.1:6379> setex key1 5 value1
OK
127.0.0.1:6379> get key1
"value1"
127.0.0.1:6379> get key1
(nil)

複製程式碼
  • setnx：鍵必須 不存在，才可以設定成功。如果鍵已經存在，返回 0。
127.0.0.1:6379> set key2 value1
OK
127.0.0.1:6379> setnx key2 value2
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get key2
"value1"
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1.1.2. 獲取值

get key

如果要獲取的 鍵不存在，則返回 nil（空）。

127.0.0.1:6379> get not_exist_key
(nil)
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1.1.3. 批量設定值

mset key value [key value ...]

下面操作通過 mset 命令一次性設定 4 個 鍵值對：

127.0.0.1:6379> mset a 1 b 2 c 3 d 4
OK
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1.1.4. 批量獲取值

mget key [key ...]

通過下面操作 批量獲取 鍵 a、b、c、d 的值：

127.0.0.1:6379> mget a b c d
1) "1"
2) "2"
3) "3"
4) "4"
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批量操作 命令，可以有效提高 開發效率，假如沒有 mget 這樣的命令，要執行 n 次 get 命令的過程和 耗時 如下：

n次get時間 = n次網路時間 + n次命令時間

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使用 mget 命令後，執行 n 次 get 命令的過程和 耗時 如下：

n次get時間 = 1次網路時間 + n次命令時間

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Redis 可以支撐 每秒數萬 的 讀寫操作，但這指的是 Redis 服務端 的處理能力，對於 客戶端 來說，一次命令除了 命令時間 還是有 網路時間。

假設 網路時間 為 1 毫秒，命令時間為 0.1 毫秒（按照每秒處理 1 萬條命令算），那麼執行 1000 次 get 命令和 1 次 mget 命令的區別如表所示：

操作 時間
1000次get操作 1000 * 1 + 1000 * 0.1 = 1100ms = 1.1s
1次mget操作 1 * 1 + 1000 * 0.1 = 101ms = 0.101s

1.1.5. 計數

incr key

incr 命令用於對值做 自增操作，返回結果分為三種情況：

  • 值不是 整數，返回 錯誤。
  • 值是 整數，返回 自增 後的結果。
  • 鍵不存在，按照值為 0 自增，返回結果為 1。
127.0.0.1:6379> exists key
(integer) 0
127.0.0.1:6379> incr key
(integer) 1
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除了 incr 命令，Redis 還提供了 decr（自減）、incrby（自增指定數字）、decrby（自減指定數字）、incrbyfloat（自增浮點數）等命令操作：

decr key incrby key increment decrby key decrement incrbyfloat key increment

很多 儲存系統 和 程式語言 內部使用 CAS 機制實現 計數功能，會有一定的 CPU 開銷。但在 Redis 中完全不存在這個問題，因為 Redis 是 單執行緒架構，任何命令到了 Redis 服務端 都要 順序執行。

1.2. 不常用命令

1.2.1. 追加值

append key value

append 可以向 字串尾部 追加值。

127.0.0.1:6379> get key
"redis"
127.0.0.1:6379> append key world
(integer) 10
127.0.0.1:6379> get key
"redisworld"
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1.2.2. 字串長度

strlen key

比如說，當前值為 redisworld，所以返回值為 10：

127.0.0.1:6379> get key
"redisworld"
127.0.0.1:6379> strlen key
(integer) 10
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1.2.3. 設定並返回原值

getset key value

getset 和 set 一樣會 設定值，但是不同的是，它同時會返回 鍵原來的值，例如：

127.0.0.1:6379> getset hello world
(nil)
127.0.0.1:6379> getset hello redis
"world"
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1.2.4. 設定指定位置的字元

setrange key offeset value

下面操作將值由 pest 變為了 best：

127.0.0.1:6379> set redis pest
OK
127.0.0.1:6379> setrange redis 0 b
(integer) 4
127.0.0.1:6379> get redis
"best"
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1.2.5. 獲取部分字串

getrange key start end

start 和 end 分別是 開始 和 結束 的 偏移量，偏移量 從 0 開始計算，例如獲取值 best 的 前兩個字元 的命令如下：

127.0.0.1:6379> getrange redis 0 1
"be"
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最後給出 字串 型別命令的 時間複雜度 說明：

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2. 內部編碼

字串 型別的 內部編碼 有 3 種：

  • int：8 個位元組的 長整型。

  • embstr：小於等於 39 個位元組的字串。

  • raw：大於 39 個位元組的字串。

Redis 會根據當前值的 型別 和 長度 決定使用哪種 內部編碼實現。

  • 整數型別
127.0.0.1:6379> set key 8653
OK
127.0.0.1:6379> object encoding key
"int"
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  • 短字串
#小於等於39個位元組的字串：embstr
127.0.0.1:6379> set key "hello,world"
OK
127.0.0.1:6379> object encoding key
"embstr"
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  • 長字串
#大於39個位元組的字串：raw
127.0.0.1:6379> set key "one string greater than 39 byte........."
OK
127.0.0.1:6379> object encoding key
"raw"
127.0.0.1:6379> strlen key
(integer) 40
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3. 典型使用場景

3.1. 快取功能

下面是一種比較典型的 快取 使用場景，其中 Redis 作為 快取層，MySQL 作為 儲存層，絕大部分請求的資料都是從 Redis 中獲取。由於 Redis 具有支撐 高併發 的特性，所以快取通常能起到 加速讀寫 和 降低後端壓力 的作用。

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整個功能的虛擬碼如下：

public UserInfo getUserInfo(long id) {
    String userRedisKey = "user:info:" + id;
    String value = redis.get(userRedisKey);
    UserInfo userInfo;    
    if (value != null) {
        userInfo = deserialize(value);     
    } else {        
        userInfo = mysql.get(id);   if (userInfo != null) { 
            redis.setex(userRedisKey, 3600, serialize(userInfo));
        }
        return userInfo;
    }
}
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3.2. 計數

許多應用都會使用 Redis 作為 計數 的基礎工具，它可以實現 快速計數、查詢快取 的功能，同時資料可以 非同步落地 到其他 資料來源。一般來說，視訊播放數系統，就是使用 Redis 作為 視訊播放數計數 的基礎元件，使用者每播放一次視訊，相應的視訊播放數就會自增 1。

public long incrVideoCounter (long id) {
    String key = "video:playCount:" + id;
    return redis.incr(key);
}
複製程式碼

實際上，一個真實的 計數系統 要考慮的問題會很多：防作弊、按照 不同維度 計數，資料持久化 到 底層資料來源等。

3.3. 共享Session

一個 分散式 Web 服務將使用者的 Session 資訊（例如 使用者登入資訊）儲存在 各自 的伺服器中。這樣會造成一個問題，出於 負載均衡 的考慮，分散式服務 會將使用者的訪問 均衡 到不同伺服器上，使用者 重新整理一次訪問 可能會發現需要 重新登入，這個問題是使用者無法容忍的。

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為了解決這個問題，可以使用 Redis 將使用者的 Session 進行 集中管理。在這種模式下，只要保證 Redis 是 高可用 和 擴充套件性的，每次使用者 更新 或者 查詢 登入資訊都直接從 Redis 中集中獲取。

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3.4. 限速

很多應用出於安全的考慮，會在每次進行登入時，讓使用者輸入 手機驗證碼，從而確定是否是使用者本人。但是為了 簡訊介面 不被 頻繁訪問，會 限制 使用者每分鐘獲取 驗證碼 的頻率。例如一分鐘不能超過 5 次，如圖所示：

此功能可以使用 Redis 來實現，虛擬碼如下：

String phoneNum = "138xxxxxxxx";
String key = "shortMsg:limit:" + phoneNum;
// SET key value EX 60 NX
boolean isExists = redis.set(key, 1, "EX 60", "NX");
if (isExists != null || redis.incr(key) <= 5) {
    // 通過
} else {
    // 限速
}
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上述就是利用 Redis 實現了 限速功能，例如 一些網站 限制一個 IP 地址不能在 一秒鐘之內 訪問超過 n 次也可以採用 類似 的思路。

小結

本文簡單的介紹了 Redis 的 字串資料結構 的 基本命令，內部編碼 和 相關應用場景。

參考

《Redis 開發與運維》

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