Redis 5種資料結構及使用場景分析

也當過面試官，面試過不少應聘者，因為是我自己招人自己用，所以我不會看應聘者造火箭的技術有多牛比，只看擰螺絲的手藝瓷不瓷實。畢竟以後是一個整體，拖了大家後腿團隊都很難受。

面試的題目一般也不會太難，就像問Redis，我只是想確認他真正用過就夠了。Redis 5種基礎資料結構和簡單操作要知道，最基本的要求，如果這個時候他會說出每種資料結構大致的應用場景，那麼這一定是加分的，起碼要比那些只會說出幾種資料結構後，在那乾瞪眼等我問下一個問題的強很多，千萬別冷場。

Redis基礎資料結構有哪些？

一、String（字串）

在任何一種程式語言裡，字串String都是最基礎的資料結構，那你有想過Redis中儲存一個字串都進行了哪些操作嘛？

在Redis中String是可以修改的，稱為動態字串(Simple Dynamic String 簡稱 SDS)（快拿小本本記名詞，要考的），說是字串但它的內部結構更像是一個 ArrayList，內部維護著一個位元組陣列，並且在其內部預分配了一定的空間，以減少記憶體的頻繁分配。

Redis的記憶體分配機制是這樣：

當字串的長度小於 1MB時，每次擴容都是加倍現有的空間。
如果字串長度超過 1MB時，每次擴容時只會擴充套件 1MB 的空間。

這樣既保證了記憶體空間夠用，還不至於造成記憶體的浪費，字串最大長度為 512MB.。
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上圖就是字串的基本結構，其中 content 裡面儲存的是字串內容，0x\0作為結束字元不會被計算len中。

分析一下字串的資料結構

struct SDS{
  T capacity;       //陣列容量
  T len;            //實際長度
  byte flages;  //標誌位,低三位表示型別
  byte[] content;   //陣列內容
}

capacity 和 len兩個屬性都是泛型，為什麼不直接用int型別？因為Redis內部有很多優化方案，為更合理的使用記憶體，不同長度的字串採用不同的資料型別表示，且在建立字串的時候 len 會和 capacity 一樣大，不產生冗餘的空間，所以String值可以是字串、數字（整數、浮點數) 或者二進位制。

1、應用場景：

儲存key-value鍵值對，這個比較簡單不細說了

2、字串（String）常用的命令：

set   [key]  [value]   給指定key設定值（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 設定過期時間  單位秒

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

setnx  [key]  [value]   如果key不存在則set 建立，否則返回0

incr   [key]           如果value為整數 可用 incr命令每次自增1

incrby  [key] [number]  使用incrby命令對整數值 進行增加 number

二、list(列表)

Redis中的list和Java中的LinkedList很像，底層都是一種連結串列結構， list的插入和刪除操作非常快，時間複雜度為 0(1)，不像陣列結構插入、刪除操作需要移動資料。

像歸像，但是redis中的list底層可不是一個雙向連結串列那麼簡單。

當資料量較少的時候它的底層儲存結構為一塊連續記憶體，稱之為ziplist(壓縮列表)，它將所有的元素緊挨著一起儲存，分配的是一塊連續的記憶體；當資料量較多的時候將會變成quicklist(快速連結串列)結構。

可單純的連結串列也是有缺陷的，連結串列的前後指標 prev 和 next 會佔用較多的記憶體，會比較浪費空間，而且會加重記憶體的碎片化。在redis 3.2之後就都改用ziplist+連結串列的混合結構，稱之為 quicklist(快速連結串列)。

下面具體介紹下兩種連結串列

ziplist(壓縮列表)

先看一下ziplist的資料結構，

struct ziplist<T>{
    int32 zlbytes;            //壓縮列表佔用位元組數
    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
}

int32 zlbytes：壓縮列表佔用位元組數
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

壓縮列表為了支援雙向遍歷，所以才會有 ztail_offset 這個欄位，用來快速定位到最後一
個元素，然後倒著遍歷
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entry的資料結構：

struct entry{
    int<var> prevlen;            //前一個 entry 的長度
    int<var> encoding;            //元素型別編碼
    optional byte[] content;    //元素內容
}

entry它的 prevlen 欄位表示前一個 entry 的位元組長度，當壓縮列表倒著遍歷時，需要通過這
個欄位來快速定位到下一個元素的位置。

1、應用場景：

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

訊息佇列：lpop和rpush（或者反過來，lpush和rpop）能實現佇列的功能
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，每次通過lpush命令往列表裡插入新的元素，然後通過lrange命令讀取最新的元素列表。

2、list操作的常用命名：

rpush  [key] [value1] [value2] ......    連結串列右側插入

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 表示從左側開始查詢，刪除count個元素，count<0 表示從右側開始查詢，刪除count個相同元素，count=0 表示刪除全部相同的元素

(PS:   index 代表元素下標，index 可以為負數， 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 （需要遍歷，時間複雜度為O(n)）

lrange [key]  [start_index] [end_index]   獲取list 區間內的所有元素 （時間複雜度為 O（n））

ltrim  [key]  [start_index] [end_index]   保留區間內的元素，其他元素刪除（時間複雜度為 O（n））

三、hash （字典）

Redis 中的 Hash和 Java的 HashMap 更加相似，都是陣列+連結串列的結構，當發生 hash 碰撞時將會把元素追加到連結串列上，值得注意的是在 Redis 的 Hash 中 value 只能是字串.

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 可以進行計數 和 incr 命令基本一致 (integer) 18

Hash 和String都可以用來儲存使用者資訊，但不同的是Hash可以對使用者資訊的每個欄位單獨儲存；String存的是使用者全部資訊經過序列化後的字串，如果想要修改某個使用者欄位必須將使用者資訊字串全部查詢出來，解析成相應的使用者資訊物件，修改完後在序列化成字串存入。而 hash可以只對某個欄位修改，從而節約網路流量，不過hash記憶體佔用要大於 String，這是 hash 的缺點。

1、應用場景：

購物車：hset [key] [field] [value] 命令，可以實現以使用者Id，商品Id為field，商品數量為value，恰好構成了購物車的3個要素。
儲存物件：hash型別的(key, field, value)的結構與物件的(物件id, 屬性, 值)的結構相似，也可以用來儲存物件。

2、hash常用的操作命令：

hset  [key]  [field] [value]    新建欄位資訊

hget  [key]  [field]    獲取欄位資訊

hdel [key] [field]  刪除欄位

hlen  [key]   儲存的欄位個數

hgetall  [key]  獲取指定key 字典裡的所有欄位和值 （欄位資訊過多,會導致慢查詢 慎用：親身經歷 曾經用過這個這個指令導致線上服務故障）

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

hincr  [key] [field]   對欄位值自增

hincrby [key] [field] [number] 對欄位值增加number

四、set(集合)

Redis 中的 set和Java中的HashSet 有些類似，它內部的鍵值對是無序的、唯一的。它的內部實現相當於一個特殊的字典，字典中所有的value都是一個值 NULL。當集合中最後一個元素被移除之後，資料結構被自動刪除，記憶體被回收。

1、應用場景：

好友、關注、粉絲、感興趣的人集合：
1) sinter命令可以獲得A和B兩個使用者的共同好友；
2) sismember命令可以判斷A是否是B的好友；
3) scard命令可以獲取好友數量；
4) 關注時，smove命令可以將B從A的粉絲集合轉移到A的好友集合
首頁展示隨機：美團首頁有很多推薦商家，但是並不能全部展示，set型別適合存放所有需要展示的內容，而srandmember命令則可以從中隨機獲取幾個。
儲存某活動中中獎的使用者ID ，因為有去重功能，可以保證同一個使用者不會中獎兩次。

2、set的常用命令：

sadd  [key]  [value]  向指定key的set中新增元素

smembers [key]    獲取指定key 集合中的所有元素

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

五、zset(有序集合)

zset也叫SortedSet一方面它是個 set ，保證了內部 value 的唯一性，另方面它可以給每個 value 賦予一個score，代表這個value的排序權重。它的內部實現用的是一種叫作“跳躍列表”的資料結構。

1、應用場景：

zset 可以用做排行榜，但是和list不同的是zset它能夠實現動態的排序，例如：可以用來儲存粉絲列表，value 值是粉絲的使用者 ID，score 是關注時間，我們可以對粉絲列表按關注時間進行排序。

zset 還可以用來儲存學生的成績， value 值是學生的 ID, score 是他的考試成績。我們對成績按分數進行排序就可以得到他的名次。

2、zset有序集合的常用操作命令：

zadd [key] [score] [value] 向指定key的集合中增加元素

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

總結

本文很多概念都一帶而過了，只是給大家粗略的講述一下Redis五種基礎資料結構和應用場景，旨在給小夥伴們一個面試備題的方向，後續會持續輸出Redis方面的文章，歡迎關注，我們們一起學習拿offer。

Redis 5種資料結構 及使用場景分析

Redis基礎資料結構有哪些？

一、String（字串）

二、list(列表)

ziplist(壓縮列表)

三、hash （字典）

四、set(集合)

五、zset(有序集合)

總結

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