Redis 数据结构：高频面试题及解析

概述

Redis 是速度非常快的非关系型（NoSQL）内存键值数据库，可以存储键和五种不同类型的值之间的映射。

键的类型只能为字符串，值支持五种数据类型：字符串、列表、集合、散列表、有序集合。

Redis 支持很多特性，例如将内存中的数据持久化到硬盘中，使用复制来扩展读性能，使用分片来扩展写性能。

数据类型

数据类型	可以存储的值	操作
STRING	字符串、整数或者浮点数	对整个字符串或者字符串的其中一部分执行操作，对整数和浮点数执行自增或者自减操作
LIST	列表	从两端压入或者弹出元素，对单个或者多个元素进行修剪，只保留一个范围内的元素
SET	无序集合	添加、获取、移除单个元素，检查一个元素是否存在于集合中，计算交集、并集、差集，从集合里面随机获取元素
HASH	包含键值对的无序散列表	添加、获取、移除单个键值对，获取所有键值对，检查某个键是否存在
ZSET	有序集合	添加、获取、删除元素，根据分值范围或者成员来获取元素，计算一个键的排名

STRING

Redis 的 String 类型使用 SDS（简单动态字符串）作为底层的数据结构实现。SDS 与 C 字符串有所不同，它不仅可以保存文本数据，还可以保存二进制数据。这是因为 SDS 使用 len 属性的值而不是空字符来判断字符串是否结束，并且 SDS 的所有 API 都会以处理二进制的方式来处理 SDS 存放在 buf[] 数组里的数据。因此，SDS 不仅能存放文本数据，还能保存图片、音频、视频、压缩文件等二进制数据。

另外，Redis 的 SDS API 是安全的，拼接字符串不会造成缓冲区溢出。这是因为 SDS 在拼接字符串之前会检查 SDS 空间是否满足要求，如果空间不够会自动扩容，从而避免了缓冲区溢出的问题。

此外，获取字符串长度的时间复杂度是 O(1)，因为 SDS 结构里用 len 属性记录了字符串长度，所以获取长度的复杂度为 O(1)。相比之下，C 语言的字符串并不记录自身长度，所以获取长度的复杂度为 O(n)。这些特性使得 SDS 成为 Redis 的一个重要组成部分。

> set hello world
OK
> get hello
"world"
> del hello
(integer) 1
> get hello
(nil)

LIST

Redis 的 List 类型底层数据结构可以由双向链表或压缩列表实现。如果列表元素个数小于 512 个且每个元素的值都小于 64 字节，则 Redis 会使用压缩列表作为底层数据结构；否则，Redis 会使用双向链表作为底层数据结构。然而，在 Redis 3.2 版本之后，List 类型底层数据结构只由 quicklist 实现，代替了双向链表和压缩列表。

> rpush list-key item
(integer) 1
> rpush list-key item2
(integer) 2
> rpush list-key item
(integer) 3> lrange list-key 0 -1
1) "item"
2) "item2"
3) "item"> lindex list-key 1
"item2"> lpop list-key
"item"> lrange list-key 0 -1
1) "item2"
2) "item"

SET

Set 类型的底层数据结构可以是哈希表或整数集合。当集合中的元素都是整数并且元素个数小于512时，Redis使用整数集合作为Set类型的底层数据结构；否则，Redis使用哈希表作为Set类型的底层数据结构。

> sadd set-key item
(integer) 1
> sadd set-key item2
(integer) 1
> sadd set-key item3
(integer) 1
> sadd set-key item
(integer) 0> smembers set-key
1) "item"
2) "item2"
3) "item3"> sismember set-key item4
(integer) 0
> sismember set-key item
(integer) 1> srem set-key item2
(integer) 1
> srem set-key item2
(integer) 0> smembers set-key
1) "item"
2) "item3"

HASH

Redis 中的 Hash 类型的底层数据结构可以是压缩列表或哈希表。如果元素个数小于 512 个且每个元素的值都小于 64 字节，Redis 会使用压缩列表作为底层数据结构；否则会使用哈希表。在 Redis 7.0 中，压缩列表已经废弃，改用 listpack 数据结构来实现。

> hset hash-key sub-key1 value1
(integer) 1
> hset hash-key sub-key2 value2
(integer) 1
> hset hash-key sub-key1 value1
(integer) 0> hgetall hash-key
1) "sub-key1"
2) "value1"
3) "sub-key2"
4) "value2"> hdel hash-key sub-key2
(integer) 1
> hdel hash-key sub-key2
(integer) 0> hget hash-key sub-key1
"value1"> hgetall hash-key
1) "sub-key1"
2) "value1"

ZSET

Zset 类型的底层数据结构可以是压缩列表或跳表。

如果有序集合的元素个数小于 128 个，且每个元素的值小于 64 字节，则 Redis 会使用压缩列表作为 Zset 类型的底层数据结构。

如果有序集合的元素个数大于等于 128 个或者每个元素的值大于等于 64 字节，则 Redis 会使用跳表作为 Zset 类型的底层数据结构。

需要注意的是，Redis 7.0 中废弃了压缩列表数据结构，改用 listpack 数据结构来实现。

> zadd zset-key 728 member1
(integer) 1
> zadd zset-key 982 member0
(integer) 1
> zadd zset-key 982 member0
(integer) 0> zrange zset-key 0 -1 withscores
1) "member1"
2) "728"
3) "member0"
4) "982"> zrangebyscore zset-key 0 800 withscores
1) "member1"
2) "728"> zrem zset-key member1
(integer) 1
> zrem zset-key member1
(integer) 0> zrange zset-key 0 -1 withscores
1) "member0"
2) "982"