參考《Redis設計與實現》
一丶簡單動態字串
當redis需要的不僅僅是一個字串字面量，而是一個可以被修改的字串值時，就會使用SDS（simple dynamic string）來表示字串值。比如set msg "hello world"將建立一個新鍵值對，鍵值對的鍵是一個字串物件（儲存著msg），值也是一個字串物件（儲存者hello world）
1.SDS的結構
- free屬性記錄buf陣列剩餘未使用的位元組數量
- len屬性記錄當前buf資料已經使用的字元數量
- buf屬性是char型別的陣列，最後一個位元組儲存空字元
\0
2.SDS的優點
2.1 常數時間複雜度獲取字串長度
傳統C語言的字串，需要遍歷整個字串遇到字串結尾的\0結束計數，但是SDS的len屬性便記錄了字串的長度，可以常數時間獲取字串長度
2.2杜絕緩衝區溢位
傳統C語言修改字串可能導致緩衝區溢位（多個字串相鄰的時候，修改到了相鄰位置的其他字串）但是SDS進行修改的時候，會先檢查SDS空間是否滿足修改需要的要求，如果不滿足九自動擴容到需要的大小，然後才執行修改操作
2.3減少修改字串帶來的記憶體重分配次數
SDS實現了空間預分配和惰性空間釋放
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空間預分配
如果對SDS修改後，SDS的長度小於1mb（len屬性）那麼程式分配和len相同大小的未使用空間。如果SDS修改後長度大於1mb那麼程式分配1mb大小的未使用空間。空間預分配減少連續執行字串操作需要的記憶體分配次數。
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惰性空間釋放
當SDS進行字串縮操作的時候，並不會立即將不需要的空間進行記憶體重分配，而是修改free屬性進行記錄。
二丶連結串列
連結串列在redis中始於廣泛，當前列表鍵包含了較多元素，又或者包含的元素都是較長的字串的時候，redis將始於連結串列作為列表鍵（xx鍵表示鍵對應的值是xx型別）的實現。
釋出訂閱，慢查詢等功能就是基於連結串列實現的
1.連結串列結構
2.連結串列的優點
- 雙端，獲取某個節點的前置後置都是常數時間複雜度
- 無環
- 帶表頭指標和，表尾指標
- 帶連結串列長度計數器
- 多型，連結串列節點使用void*指標儲存節點值
三丶字典
字典是一種用於儲存鍵值對的資料結構，一個key可以和一個value進行關聯。
字典在redis中使用廣泛，redis資料庫就是使用字典作為底層實現的，對資料庫的增刪改查都是構建在字典這種資料結構之上，字典還是雜湊鍵的底層實現，當雜湊鍵包含的鍵值對比較多，又或者鍵值對中的元素都是較長的字串是，redis使用字典作為雜湊鍵的底層實現。
1.字典的結構
可以看到redis的字典使用拉鍊法解決雜湊衝突，一個字典存在兩個dictht，一個用於儲存資料，一個用於漸進式rehash
2.雜湊演算法
redis使用MurmurHash2演算法計算key的hash值，然後將hash值於sizemask進行且操作，相當於一次對陣列大小的取模，可以得到當前key應該落在雜湊表陣列的那個下標位置
3.解決hash衝突
redis使用拉鍊發來解決hash衝突，每一個雜湊節點具備一個next節點，多個雜湊節點使用next指標串聯成單向連結串列，從而解決hash衝突的問題
4.漸進式rehash
隨著操作不斷進行，雜湊表可能儲存很多資料，為了讓雜湊表的負載因子維持在一個合理的範圍，當雜湊表儲存的鍵值太多的時候，程式需要對雜湊表的大小進行相應的擴充套件或者收縮。
4.1漸進式rehash的步驟
- 為ht[1]分配空間
- 字典中維護一個索引計數器rehashidx，設定為0，表示漸進式rehash正式開始
- 在rehash的期間，對字典進行的增刪改查，除了完成遷移雜湊陣列中的內容到ht[1]之外，還會將順帶將rehashidx索引上的所有鍵值對rehash到ht[1],然後將rehashidx自增1
- 隨著字典操作的不斷進行，最終會完全rehash完ht[0]中的所有元素，rehashidx置為-1，表示結束
4.2漸進式rehash期間雜湊表的使用
由於漸進式rehash的期間，字典具備兩個雜湊表，字典的增刪改查都需要在兩個雜湊表中進行，如果ht[0]不存在資料，還需要去ht[1]中尋找，
4.3雜湊表擴容或者收縮的前提
當下列條件中滿足任意一個的時候，程式會自動進行雜湊表的擴容
- 伺服器沒有執行BGSAVE(RDB持久化)，或者BGREWRITEAOF（AOF持久化）並且雜湊表負載因子大於等於1
- 伺服器正在執行BGSAVE(RDB持久化)，或者BGREWRITEAOF（AOF持久化）但是雜湊表負載因子大於等於5
負載因子 = 雜湊表儲存的節點數量 / 雜湊表大小
BGSAVE，或者BGREWRITEAOF進行的途中，進來不進行rehash的原因是，這兩個命令進行的過程中，redis需要建立伺服器子程式，採用寫時複製的技術最佳化子程式的使用效率，避免子程式執行的途中進行rehash可以節約記憶體
當負載因子小於0.1的時候，redis會對雜湊表進行收縮
四丶跳躍表
跳躍表是一種有序的資料結構，支援O(log N)時間複雜度進行節點查詢。
redis使用跳躍表作為有序集合鍵的底層實現之一，如果有序集合包含的元素，或者有序集合中元素的成員都是較長的字串的時候，redis使用跳躍表作為有序集合鍵的底層實現。此外叢集節點中也了使用跳錶。
1.跳躍表的結構
2.跳躍表中的分值和成員
跳躍表是有序的結構，其中的分值便是排序的依據，多個節點可以包含相同的分值，分值相同的時候根據節點儲存物件的大小進行排序，每個節點儲存的物件必須唯一
五丶整數集合
整數集合是集合鍵的底層實現之一，當一個集合只有整數元素，且集合元素不多的適合，redis使用整數集合作為集合鍵底層實現
1.整數集合的結構
2.整數集合encoding編碼方式
屬性值表示contents陣列中，整數的型別是int8_t，int16_t，int32_t，還是int64_t。
3.升級
當一個新元素新增到整數集合中，並且新元素的型別比整數集合中其他元素的型別都要長時，整數集合會進行升級，然後把新元素新增到集合中。升級的步驟：
- 根據新元素的型別，擴充套件整數集合底層陣列的空間大小，並且為新元素分配空間
- 底層contents元素的型別轉換到新元素相同型別，並放到爭取的位置上，有序性不變
- 新元素新增到contents陣列中
升級的好處：
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提升靈活性
整數集合可以透過升級儲存不同型別的新元素
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節約記憶體
在需要的適合才會升級，才需要更大的記憶體空間，可以減少記憶體的佔用
整數集合，不會進行降級。
六丶壓縮列表
壓縮列表ziplist是列表建和雜湊鍵的底層實現之一。
當一個列表只包含少量列表項的，並且每一個列表項是小整數或者長度段的字串，redis使用壓縮列表作為列表鍵的底層實現（相比於連結串列，少前繼後繼指標更加節約記憶體）
當一個雜湊鍵只包含少量鍵值對的適合，並且每個鍵值對的鍵和值都是小整數，或者段字串的適合，redis使用壓縮列表作為雜湊鍵的底層實現
1.壓縮列表的結構
2.連鎖更新
每一個節點的previous_entry_length記錄了前一個節點的長度，如果前一個節點的長度小於254位元組，那麼此屬性使用一個位元組進行記錄，如果大於254位元組那麼使用五位元組進行記錄，所有如果新的節點的插入，也許這個節點的長度大於1位元組，那麼其後面的節點需要更新previous_entry_length為5位元組大小，可能導致後續的節點也需要更新previous_entry_length，引發連鎖更新
七丶物件
前面我們學習了簡單動態字串，連結串列，字典，跳躍表，整數集合，壓縮列表的資料結構，但是redis並沒有使用整個資料結構直接實現鍵值對資料庫，而是基於這些資料結構實現了物件系統，包含：字串物件，列表物件，雜湊物件，集合物件，有序集合物件，這樣做的好處是，可以針對不同的使用場景使用不同的資料結構，最佳化效率。
redis還實現引用計數器的記憶體回收機制，並且會讓多個資料庫鍵共享一個對來節約記憶體。
redis中的物件還帶有訪問時記錄資訊，在伺服器其餘maxmemory功能的時候，根據此資訊會刪除長時間沒有被訪問的物件
1.物件的結構
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型別
redis資料庫中，鍵固定式字串物件，但是鍵可能是字串，列表，雜湊，集合，有序集合物件等。type欄位就記錄了到底是什麼物件（redis客戶端使用
Type 鍵名將返回物件型別） -
編碼
encoding欄位記錄了，底層實現使用了什麼編碼，每種型別的物件至少使用了兩種不同型別的編碼。
使用
object encoding 鍵名可以獲取物件的編碼使用編碼，可以讓redis在不同的情況下，使用不同的底層資料結構，最佳化效率
比如在列表元素比較少的時候，redis使用壓縮列表，也不是使用連結串列，就是因為壓縮列表相比連結串列，少了前繼，後繼指標，使用連續的記憶體儲存，壓縮列表更加節約記憶體。隨著元素越來越多，redis將轉化使用雙端連結串列進行儲存
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底層實現
redis使用一個指標，指向底層實現的資料結構
2.字串物件String
2.1字串物件的結構
字串物件的編碼可以使用int,raw,embstr
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當字串物件儲存一個字串值，並且長度大於39位元組的時候，字串物件將使用簡單動態字串來儲存，並且指定編碼為raw
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當儲存的內容是一個字串值，但是字串長度小於等於39位元組的時候，redis使用
embstr來儲存
使用SDS的raw編碼，會使用兩次記憶體分配函式，分別建立redisObject，和SDS，但是embStr編碼則只需要一次記憶體分配獲取一塊連續的空間，一次儲存redisObject和字串內容
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當字串物件儲存的是一個整數值，並且整數值可以使用long來表示，這是redis會使用int型別編碼
2.2字串物件命令
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set
redis根據情況使用不同的編碼儲存字串物件
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get
返回值
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append
在尾部追加，對於int編碼或者embstr編碼會將物件編碼轉化為raw，然後進行拼接
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incrbyFloat
redis會嘗試將字串轉化為long double型別的數字，然後進行加法運算
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incrby
只有int編碼可以進行此操作，進行整數加法運算
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decrby
只有int編碼可以進行此操作，進行整數減法運算
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strlen
返回字串長度
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setrange
設定特定索引上的值，int 和 embstr編碼都會先轉換為raw然後進行操作
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getrange
返回特定索引下的值
3.列表物件list
3.1列表物件的結構
列表物件的編碼可以是ziplist，或者linkedlist
- 當列表中的字串元素都小於64位元組的時候，且數量小於521的時候使用ziplist進行儲存
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當列表中的字串元素存在大於64位元組的元素時候，或者數量大於等於521的時候使用linkedlist進行儲存
3.2列表命令
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lpush
將新元素壓入列表頭部
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rpush
將新元素壓入列表尾部
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lpop
返回表頭元素，並刪除表頭元素
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rpop
返回表尾元素，並刪除表尾元素
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LIndex
定位列表指定節點，並返回節點儲存的元素
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LLen
返回列表長度
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LInsert
插入新節點到指定位置
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LREM
刪除給定元素的節點
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LTRIM
刪除不在索引範圍內的節點
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LSET
設定指定索引位置的值
4.雜湊物件hash
4.1雜湊物件的結構
雜湊物件的編碼可以是ziplist，也可以是hashtable
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ziplist編碼底層使用壓縮連結串列，當新元素加入的時候，現在壓縮連結串列中儲存key然後儲存value
當鍵值字串長度都小於64位元組，且數量小於512的時候，使用此種編碼
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hashtable編碼底層使用字典，每一個鍵都是字串物件，每一個值也是字串物件
當鍵值字串長度存在大於等於64位元組的，或者數量大於512的時候，使用此種編碼
4.2雜湊物件的命令
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hset
設定雜湊物件 key和對應的值
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hget
獲取雜湊物件key對應的值
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hexists
判斷雜湊物件是否存在key
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hdel
刪除雜湊物件 key和對應的值
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hlen
返回雜湊物件具備的key數量
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hgetall
返回雜湊物件索引的鍵和隊友的值
5.集合物件set
5.1集合物件的結構
集合物件編碼可以是intset，或者hashtable
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intset編碼底層使用整數集合
當集合儲存的全是整數，並且數量不超過512個的時候使用此種編碼
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hashtable底層使用字典，但是value全為null
當集合儲存的不全是整數，或者數量超過512個的時候使用此種編碼
5.2集合物件的命令
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SCARD
返回集合元素的數量
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SISMEMBER
判斷元素是否存在於集合
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SMENBERS
返回所有集合元素
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SRANDMEMBER
從集合中隨機返回一個
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SPOP
隨機刪除一個元素，並返回
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SREM
刪除給定元素
6.有序集合物件ZSET
6.1有序集合物件的結構
有序集合的編碼有ziplist或者skiplist
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ziplist底層使用壓縮列表，每一個集合元素使用兩個緊挨在一起的壓縮列表節點表示，一個儲存集合成員，一個儲存分值
當有序集合元素少於128個，且元素長度都小於64位元組的時候使用此種編碼 -
skiplist編碼，使用zset結構作為底層實現，一個zset包含一個字典，和一個跳躍表
當有序集合元素不少於128個，或者元素長度存在大於等於64位元組的時候使用此種編碼跳躍表按照分值從小到大儲存了所有集合元素，字典為有序集合建立了成員到分值的對映
二者的結合保證，範圍查詢和獲取成員的分值都有較高的速度，範圍型操作比如ZRANK，ZRANGE基於跳錶進行，獲取成員分值這種操作基於字典進行
二者儲存的物件是共享的，不會使用兩份空間進行儲存
6.2有序集合物件的命令
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ZADD
向有序集合存入元素和對應的分值
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ZCARD
返回有序集合元素數量
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ZCOUNT
返回有序集合指定分值範圍元素的個數
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ZRANGE
返回指定分值範圍內的元素
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ZRANK
返回元素和對應的排名
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ZREM
刪除元素
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ZSCORE
返回給定元素的分值