「Redis」Redis 基礎

不積跬步，無以至千里；不積小流，無以成江海。

前言

前一節對 Redis 和 Memcache 做了對比，我們知道了 Redis 的一些優良特性；

由於是 <strong>純內存 操作，Redis 的性能非常出色，來自官網統計每秒可以處理超過 10 萬次讀寫操作，是已知 <strong>性能最快 的KV DB;（ 期待能有更優秀的軟件誕生 ）

國內各大互聯網公司也都在使用Redis，也是後臺開發者繞不開的必備技能；由於內存的寶貴，所以只有合適的數據結構用在最正確的地方才能發揮最大作用。

下面分析下 Redis 的基本數據結構及適用場景。

正文

Redis 有 5 種基礎數據結構，分別為：<strong>string (字符串)、<strong>list (列表)、<strong>set (集合)、<strong>hash (哈希) 和 <strong>zset (有序集合)。

Tips:至於更高級的 BloomFilter、Geo、pub/sub、HyperLogLog 後面會單獨介紹

Redis 所有操作都是 <strong>原子性 的，要麼成功執行要麼失敗完全不執行。多個操作也 <strong>支持事務

Redis 所有的數據結構都是以 <strong>唯一 的 key 字符串作為名稱，然後通過這個唯一 key 值來獲取相應的 value 數據。不同類型的數據結構的差異就在於 value 的結構不一樣。

1. String

常用命令： get/set mget/mset incr/decr等

介紹： 字符串 string 是 Redis 最簡單的數據結構,也是我們日常用的最多的一種類型。

string 是二進制安全的。也就是說 Redis 的 string 可以包含任何數據。比如 jpg 圖片或者序列化的對象。

Redis 的字符串是動 <strong>態字符串，是可以修改的字符串，內部結構採用 <strong>預分配冗餘空間 的方式來減少內存的頻繁分配，內部為當前字符串實際分配的空間 capacity 一般要高於實際字符串長度 len。當字符串長度小於 <strong>1M 時，擴容都是 <strong>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。需要注意的是字符串最大長度為 <strong>512M。

字符串是由 <strong>多個字節 組成，每個字節又是由 8 個 <strong>bit 組成，如此便可以將一個字符串看成很多 bit 的組合，這便是 <strong>bitmap「位圖」數據結構，後續也會拎出來說。

使用場景： 一個常見的用途就是緩存用戶信息。我們將用戶信息結構體使用 JSON 序列化成字符串，然後將序列化後的字符串塞進 <strong>Redis 來緩存。同樣，取用戶信息會經過一次 <strong>反序列化 的過程。還有如：計數器、分佈式系統共享 session 等

2. List

常用命令： lpush/rpush/lpop/rpop/lrange等；

介紹： Redis list的實現為一個 <strong>雙向鏈表,這意味著 list 的插入和刪除操作非常快，時間複雜度為 <strong>O(1)，但是索引定位很慢，時間複雜度為 O(n)，這點讓人非常意外。

再深入一點，你會發現 Redis 底層存儲的還不是一個簡單的 <strong>linkedlist，而是稱之為快速鏈表 <strong>quicklist 的一個結構。

首先在列表元素較少的情況下會使用一塊連續的內存存儲，這個結構是 <strong>ziplist，也即是<strong>壓縮列表。

它將所有的元素緊挨著一起存儲，分配的是一塊 <strong>連續的內存。當數據量比較多的時候才會改成 <strong>quicklist。因為普通的鏈表需要的附加指針空間太大，會比較浪費空間，而且會加重內存的 <strong>碎片化。比如這個列表裡存的只是 int 類型的數據，結構上還需要兩個額外的指針 prev 和 next。所以 Redis 將鏈表和 ziplist 結合起來組成了 <strong>quicklist。也就是將多個 ziplist 使用 <strong>雙向指針 串起來使用。這樣既滿足了快速的插入刪除性能，又不會出現太大的空間冗餘。不得不說Redis為了高性能，真的是把內存用到了<strong>極致。

當列表彈出了最後一個元素之後，該數據結構自動被刪除，內存被回收。

使用場景： 常用來做異步隊列使用。將需要延後處理的任務結構體序列化成字符串塞進 list，另一個線程從這個列表中輪詢數據進行處理。

3. Hash

常用命令： hget/hset/hgetall等

介紹： Redis 的字典相當於 Java 語言裡面的 HashMap，它是無序字典。

不同的是，Redis 的字典的值只能是字符串，另外它們 <strong>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 為了高性能，不能堵塞服務，所以採用了 <strong>漸進式 rehash 策略。

何為漸進式 rehash

就是把拷貝節點數據的過程平攤到後續的操作中，而不是一次性拷貝。

所謂平攤到後續的操作中，就是對節點操作，例如再次插入，查找，刪除，修改時都會進行拷貝。

要想實現這個過程，一個hash結構必須要有以下字段：

兩個hash表。一個表拷貝到另一個表的容器。一個標識 rehashidx 來標明是否在進行 rehash 中。如果是，那麼對節點的操作啟動 rehash 過程。

何時啟動 rehash

每次插入鍵值對時，都會檢查是否需要擴容。當hash結構的第一個hash表 ht[0] 達到擴容條件就可以啟動了。此時重新調整並分配新的空間，將hash結構的第二個hash表 ht[1] 指向這個空間。

rehash 具體過程

1，為 ht[1] 分配空間， 讓 hash 同時持有 ht[0] 和 ht[1] 兩個哈希表。

2，在字典中維持一個索引計數器變量 rehashidx， 並將它的值設置為0， 表示 rehash 工作正式開始。

3，在 rehash 進行期間， 每次對 hash 執行添加、刪除、查找或者更新操作時， 程序除了執行指定的操作以外， 還會順帶將 ht[0] 哈希表在 rehashidx 索引上的所有鍵值對 rehash 到 ht[1]， 當 rehash 工作完成之後， 程序將 rehashidx 屬性的值增 1。

4，隨著字典操作的不斷執行， 最終在某個時間點上， ht[0] 的所有鍵值對都會被 rehash 至 ht[1]， 這時程序將 rehashidx 屬性的值設為 -1 ， 表示 rehash 操作已完成。

漸進式 <strong>rehash 的好處在於它採取<strong>分而治之的方式， 將 rehash 鍵值對所需的計算工作均灘到對字典的每個添加、刪除、查找和更新操作上， 從而避免了集中式 rehash 而帶來的龐大計算量。

當全部節點搬移完成之後需要做什麼呢？

由於只有兩個 hash 表容器（也只需要兩個 hash 表容器就夠了）

如果 ht[1] 需要 rehash 時再搬移到 ht[0] 嗎？

當然這樣也是沒有問題的，但是顯得有點混亂，因為搞不清楚哪個容器是要搬移的。

巧妙的做法是搬移完成之後，讓 ht[0] 指向新的hash容器。這樣 ht[0] 永遠是那個要被搬移的對象，ht[1]是搬移過程中的中轉。

<strong>思路比結論更重要

當 hash 移除了最後一個元素之後，該數據結構自動被刪除，內存被回收。

使用場景： 我們要存儲一個用戶信息對象數據，其中包括用戶ID、用戶姓名、年齡和生日，通過用戶ID我們希望獲取該用戶的姓名或者年齡或者生日；

hash 結構存儲，不同於字符串一次性需要全部序列化整個對象，hash 可以對用戶結構中的每個字段單獨存儲。這樣當我們需要獲取用戶信息時可以進行部分獲取。而以整個字符串的形式去保存用戶信息的話就只能一次性全部讀取，這樣就會比較浪費網絡流量。

hash 也有缺點，hash 結構的存儲消耗要高於單個字符串，到底該使用 hash 還是字符串，需要根據實際情況再三權衡。

4. Set

常用命令： sadd/spop/smembers/sunion等；

介紹： Redis 的集合相當於 Java 語言裡面的 HashSet，它內部的鍵值對是 <strong>無序的唯一的。 它的內部實現相當於一個特殊的 hash，hash中所有的 value 都是一個值NULL。集合中最大的成員數為 2^32 - 1 (4294967295, 每個集合可存儲40多億個成員)。

當集合中最後一個元素移除之後，數據結構自動刪除，內存被回收。

使用場景： 存儲活動中獎的用戶 ID，因為有去重功能，可以保證同一個用戶不會中獎兩次。另外還可以用在有交集，並集的需求上。

5. Sorted Set

常用命令： zadd/zrange/zrem/zcard等；

介紹： zset 可能是 Redis 提供的最為特色的數據結構，它也是在面試中面試官最愛問的數據結構。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做「<strong>跳躍表」的數據結構。使用跳躍表的結構可以獲得比較高的查找效率

使用場景： zset 可以用來存粉絲列表，value 值是粉絲的用戶 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 還可以用來存儲學生的成績，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。

容器型數據結構的通用規則

list/set/hash/zset 這四種數據結構是容器型數據結構，它們共享下面兩條通用規則：

• create if not exists 如果容器不存在，那就創建一個，再進行操作。比如 rpush 操作剛開始是沒有列表的，Redis 就會自動創建一個，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，釋放內存。這意味著 lpop 操作到最後一個元素，列表就消失了

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關鍵字: 軟件 數據結構 JSON