> 作者：幻好
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> 來源：[恆生LIGHT雲社群](https://developer.hs.net/thread/1368 "恆生LIGHT雲社群")

## 基本簡介

![1631242381317-9c97e202-1035-49e9-8b42-4b9b40ee9e1c.png](https://developer.hs.net/storage/attachments/2021/09/12/TBdWogVrQVXonjH2hXZfkTyhd6jgITy3bQRbLeJB_thumb.png "3083")

### Redis 是什麼？

- Redis 是網際網路技術領域使用最為廣泛的儲存中介軟體，它是「Remote Dictionary Service」的首字母縮寫，也就是「**遠端字典服務**」。Redis 以其超高的效能、完美的文件、 簡潔易懂的原始碼和豐富的客戶端庫支援在開源中介軟體領域廣受好評。
- 國內外很多大型網際網路 公司都在使用 Redis，比如 Twitter、YouPorn、暴雪娛樂、Github、StackOverflow、騰訊、 阿里、京東、華為、新浪微博等等，很多中小型公司也都有應用。也可以說，對 Redis 的了 解和應用實踐已成為當下中高階後端開發者繞不開的必備技能。

### Redis 可以用來做什麼？

- 「Redis 是一個開源（BSD許可）的，記憶體中的資料結構儲存系統，它可以用作**資料庫**、**快取**和**訊息中介軟體**。
- 它**支援多種型別的資料結構**，如 字串（strings）， 雜湊（hashes）， 列表（lists）， 集合（sets）， 有序集合（sorted sets） 與範圍查詢， bitmaps， hyperloglogs 和 地理空間（geospatial） 索引半徑查詢。 Redis 內建了 複製（replication），LUA指令碼（Lua scripting）， LRU驅動事件（LRU eviction），事務（transactions） 和不同級別的 磁碟持久化（persistence）， 並透過 Redis哨兵（Sentinel）和自動 分割槽（Cluster）提供高可用性（high availability）。

### Redis 可以做什麼？

- Redis 的業務應用範圍非常廣泛，以部落格社群的功能模組為例項：
  - 記錄帖子的**點贊數**、**評論數**和**點選數** (hash)。
  - 記錄使用者的帖子 ID**列表 (排序)**，便於快速顯示使用者的帖子列表 (zset)。
  - 記錄帖子的**標題、摘要、作者和封面**資訊，用於列表頁展示 (hash)。
  - 記錄帖子的點贊使用者 ID 列表，評論 ID 列表，用於**顯示和去重計數** (zset)。
  - 快取**近期熱帖**內容 (帖子內容空間佔用比較大)，減少資料庫壓力 (hash)。

### Redis 的下載安裝

- 參考網站：[http://www.redis.cn/download.html](http://www.redis.cn/download.html)

## 基礎資料結構

Redis 有 5 種基礎資料結構，分別為：**string **(字串)、**list **(列表)、**hash **(哈 希)、**set **(集合) 和 **zset **(有序集合)。熟練掌握這 5 種基本資料結構的使用是 Redis 知識最基礎也最重要 的部分。

### 字串（string）

#### -string 的基本概念

- 字串 string 是 Redis 最簡單的資料結構。Redis 所有的資料結構都是以唯一的 key 字串作為名稱，然後透過這個唯一 key 值來獲取相應的 value 資料。不同型別的資料結 構的差異就在於 value 的結構不一樣。

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#### -string 的應用

- 字串結構使用非常廣泛，一個常見的用途就是快取使用者資訊。我們將使用者資訊結構體使用 JSON 序列化成字串，然後將序列化後的字串塞進 Redis 來快取。同樣，取使用者資訊會經過一次反序列化的過程。

#### -string 的結構原理

- Redis 的字串是動態字串，是可以修改的字串，內部結構實現上類似於 Java 的 `ArrayList`，**採用預分配冗餘空間的方式**來減少記憶體的頻繁分配。

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- 如圖中所示，內部為當前字 符串實際分配的空間 `capacity` 一般要高於實際字串長度 `len`。當字串長度小於 1M 時， 擴容都是加倍現有的空間，如果超過 1M，擴容時一次只會多擴 1M 的空間。需要注意的是**字串最大長度**為**512M**。
- 字串是由多個位元組組成，每個位元組又是由 8 個 bit 組成，如此便可以將一個字串看 成很多 bit 的組合，這便是 bitmap「點陣圖」資料結構。

#### -string 的操作命令

- 基本命令：`set` 、`get` 、`exists` 、`del`
- 批次命令：`mset` 、`mget`
- 其他命令：`expire` 、`setex` 、`setnx` 、`incr` 、`incrby`
  - 如果 value 值是一個整數，可以對它進行自增操作。自增是有範圍的，它的範圍是`signed long` 的最大最小值，超過了這個值，Redis 會報錯。

### 列表（list）

#### -list 的基本概念

- Redis 的列表相當於 Java 語言裡面的`LinkedList`，注意它是連結串列而不是陣列。這意味著`list` 的插入和刪除操作非常快，時間複雜度為 O(1)，但是索引定位很慢，時間複雜度為 O(n)。
- 當列表彈出了最後一個元素之後，該資料結構自動被刪除，記憶體被回收。

#### -list 的應用

- Redis 的列表結構常用來做非同步佇列使用。將需要延後處理的任務結構體序列化成字串塞進 Redis 的列表，另一個執行緒從這個列表中輪詢資料進行處理。

#### -list 的結構原理

- 如果再深入一點，會發現 Redis 的列表底層儲存的還不是一個簡單的 `linkedlist`，而是稱之為 快速連結串列 `quicklist` 的一個結構。

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- 首先在**列表元素較少的情況**下會使用一塊連續的記憶體儲存，這個結構是 `ziplist`，也即是**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**列表元素比較多**時候會改成 `quicklist`。因為普通的連結串列需要的附加指標空間太大，會比較浪費空間，而且會加重記憶體的碎片化。比如這個列表裡存的只是 `int` 型別的資料，結構上還需要兩個額外的指標 `prev` 和 `next` 。所以 Redis 將連結串列和 `ziplist` 結合起來組成了 `quicklist`。也就是將多個 `ziplist` 使用雙向指標串起來使用。這樣既滿足了快速的插入刪除效能，又不會出現太大的空間冗餘。

#### -list 的操作命令

- 常用命令：`rpush`、`lpush`、`rpop`、`lpop`
- 查詢命令：`llen`、`lrange`、`lindex`、`ltirm`

### 雜湊/字典（hash）

#### -hash 的基本概念

- Redis 的字典相當於 Java 語言裡面的`HashMap`，它是無序字典。內部實現結構上同 Java 的`HashMap` 也是一致的，同樣的陣列 + 連結串列二維結構。

#### -hash 的結構原理

- 第一維 `hash` 的陣列位置碰撞時，就會將碰撞的元素使用連結串列串連線起來。

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- 不同的是，Redis 的字典的值只能是字串，另外它們 `rehash` 的方式不一樣，因為 Java 的 `HashMap` 在字典很大時，`rehash` 是個耗時的操作，需要一次性全部 `rehash`。Redis 為了高效能，不能堵塞服務，所以採用了漸進式 `rehash` 策略。

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- 漸進式 `rehash` 會在 `rehash` 的同時，保留新舊兩個 `hash` 結構，查詢時會同時查詢兩個 `hash` 結構，然後在後續的定時任務中以及 `hash` 的子指令中，循序漸進地將舊 `hash` 的內容 一點點遷移到新的 `hash` 結構中。
- 當 `hash` 移除了最後一個元素之後，該資料結構自動被刪除，記憶體被回收。
- `hash` 也有缺點，`hash` 結構的儲存消耗要高於單個字串，到底該使用 `hash` 還是字元 串，需要根據實際情況再三權衡。

#### -hash 的應用

- `hash` 結構也可以用來儲存使用者資訊，不同於字串一次性需要全部序列化整個物件，`hash` 可以對使用者結構中的每個欄位單獨儲存。
- 當我們需要獲取使用者資訊時可以進行部分獲取。而以整個字串的形式去儲存使用者資訊的話就只能一次性全部讀取，這樣就會比較浪費網路流量。

#### -hash 的操作命令

- 常用命令：`hset`、`hget`、`hgetall`、`hlen`、`hmet`
- 其他命令：`hincr`、`hincrbu`

### 集合（set）

#### -set 的基本概念

- Redis 的集合相當於 Java 語言裡面的`HashSet`，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移除之後，資料結構自動刪除，記憶體被回收。

#### -set 的應用

- `set` 結構可以用來儲存活動中獎的使用者 ID，因為有去重功能，可以保證同一個使用者不會中獎兩次。

#### -set 的操作命令

- 常用命令：`sadd`、`smembers`、`sismember`、`scard`、`spop`

#### -set 的結構原理

- 集合物件 set 是 string 型別（整數也會轉換成string型別進行儲存）的無序集合。注意集合和列表的區別：集合中的元素是無序的，因此不能透過索引來操作元素；集合中的元素不能有重複。
- **編碼**
  - 集合物件的編碼可以是`intset`或者`hashtable`。
  - `intset`編碼的集合物件使用整數集合作為底層實現，集合物件包含的所有元素都被儲存在整數集合中。
  - hashtable編碼的集合物件使用 字典作為底層實現，字典的每個鍵都是一個字串物件，這裡的每個字串物件就是一個集合中的元素，而字典的值則全部設定為 null。這裡可以類比Java集合中HashSet集合的實現. HashSet 集合是由HashMap來實現的，集合中的元素就是 HashMap 的key，而 HashMap 的值都設為 null。
  - ![](F:\01mynotes\0912-深入淺出Redis-基礎篇\深入淺出Redis.assets\1616034190300-41ba328e-ca25-486d-b868-9c20b71b9805.png)![1616034190300-41ba328e-ca25-486d-b868-9c20b71b9805.png](https://developer.hs.net/storage/attachments/2021/09/12/DWK8UxbPonOgRDzd1HbV5MzFlPxhR6LnSs55Zqxj_thumb.png "3089")
  - ![](F:\01mynotes\0912-深入淺出Redis-基礎篇\深入淺出Redis.assets\1616034202729-22b04010-af03-4b92-904d-7f5d3d9ef82f.png)![1616034202729-22b04010-af03-4b92-904d-7f5d3d9ef82f.png](https://developer.hs.net/storage/attachments/2021/09/12/azdykxL7JJYlfymNaSdB7dgvSULiGRfvNDkAA7gp_thumb.png "3090")
  - **編碼轉換**
    - 當集合同時滿足以下兩個條件時，使用 intset 編碼：
      - 集合物件中所有元素都是整數
      - 集合物件所有元素數量不超過512
    - 不能滿足這兩個條件的就使用`hashtable`編碼。第二個條件可以透過配置檔案的`set-max-intset-entries`進行配置。

### 有序集合（zset）

#### -zset 的基本概念

- `zset` 可能是 Redis 提供的最為特色的資料結構，它也是在面試中面試官最愛問的資料結 構。
- 它類似於 Java 的`SortedSet` 和`HashMap` 的結合體，一方面它是一個`set`，保證了內部 value 的唯一性，另一方面它可以給每個 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著「**跳躍列表**」的資料結構。
- `zset` 中最後一個`value` 被移除後，資料結構自動刪除，記憶體被回收。

#### -zset 的應用

- `zset` 可以用來存 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 可以對成績按分數進行排序就可以得到他的名次。

#### -zset 的操作命令

- 常用命令：`zadd`、`zrange`、`zrevrange`、`zcard`、`zscore`、`zrank`、`zrangebyscore`

#### -zset 的結構原理

- **有序集合物件是有序的**。與列表使用索引下標作為排序依據不同，有序集合為每個元素設定一個分數（score）作為排序依據。
- **編碼**
  - 有序集合的編碼可以是`ziplist`或者`skiplist`。
  - `ziplist`編碼的有序集合物件使用壓縮列表作為底層實現，每個集合元素使用兩個緊挨在一起的壓縮列表節點來儲存，第一個節點儲存元素的成員，第二個節點儲存元素的分值。
  - 並且壓縮列表內的集合元素按分值從小到大的順序進行排列，小的放置在靠近表頭的位置，大的放置在靠近表尾的位置。
  - ![](F:\01mynotes\0912-深入淺出Redis-基礎篇\深入淺出Redis.assets\1616038289593-9e0412e7-ea4d-4f9b-aa83-828cf3f6b04e.png)![1616038289593-9e0412e7-ea4d-4f9b-aa83-828cf3f6b04e.png](https://developer.hs.net/storage/attachments/2021/09/12/xyM7H7vpAdv1ReW3C4AKDfbqRNUUeUXWS1u9vluo_thumb.png "3091")
  - `skiplist`編碼的有序集合物件使用zset結構作為底層實現，一個zset結構同時包含一個字典和一個跳躍表**：**
  - 字典的鍵儲存元素的值，字典的值則儲存元素的分值；跳躍表節點的object屬性儲存元素的成員，跳躍表節點的score屬性儲存元素的分值。
  - 這兩種資料結構會透過指標來共享相同元素的成員和分值，所以不會產生重複成員和分值，造成記憶體的浪費。
- **編碼轉換**
  - 當有序集合物件同時滿足以下兩個條件時，物件使用`ziplist`編碼：
    - 儲存的元素數量小於128；
    - 儲存的所有元素長度都小於64位元組；
  - 不能滿足上面兩個條件的使用`skiplist`編碼。
  - 以上兩個條件可以透過Redis配置檔案`zset-max-ziplist-entries`選項和`zset-max-ziplist-value`進行修改。

### 容器型資料結構

#### 通用規則

`list/set/hash/zset` 這四種資料結構是容器型資料結構，它們共享下面兩條通用規則：

- **create if not exists**
  - 如果容器不存在，那就建立一個，再進行操作。比如 rpush 操作剛開始是沒有列表的， Redis 就會自動建立一個，然後再 rpush 進去新元素
- **drop if no elements**
  - 如果容器裡元素沒有了，那麼立即刪除元素，釋放記憶體。這意味著 lpop 操作到最後一 個元素，列表就消失了。

#### 過期時間

- Redis 所有的資料結構都可以設定過期時間，時間到了，Redis 會自動刪除相應的物件。
- 需要注意的是過期是以物件為單位，比如一個`hash` 結構的過期是整個`hash` 物件的過期， 而不是其中的某個子`key`。
- 特別注意的地方是如果一個字串已經設定了過期時間，然後你呼叫了`set` 方法修改了它，它的過期時間會消失。

Java開發工程師進階篇-深入淺出Redis

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