Redis数据结构(常用5+4种特殊数据类型)

1、Redis 数据类型以及使用场景分别是什么?

Redis 提供了丰富的数据类型,常见的有五种数据类型:String(字符串),Hash(哈希),List(列表),Set(集合)、Zset(有序集合)

结构类型结构存储的值结构的读写能力
String字符串可以是字符串、整数或浮点数对整个字符串或字符串的一部分进行操作;对整数或浮点数进行自增或自减操作;
List列表一个链表,链表上的每个节点都包含一个字符串对链表的两端进行push和pop操作,读取单个或多个元素;根据值查找或删除元素;
Set集合包含字符串的无序集合字符串的集合,包含基础的方法有看是否存在添加、获取、删除;还包含计算交集、并集、差集等
Hash散列包含键值对的无序散列表包含方法有添加、获取、删除单个元素
Zset有序集合和散列一样,用于存储键值对字符串成员与浮点数分数之间的有序映射;元素的排列顺序由分数的大小决定;包含方法有添加、获取、删除单个元素以及根据分值范围或成员来获取元素

随着 Redis 版本的更新,后面又支持了四种数据类型: BitMap(2.2 版新增)、HyperLogLog(2.8 版新增)、GEO(3.2 版新增)、Stream(5.0 版新增)。 Redis 五种数据类型的应用场景:

  • String 类型的应用场景:缓存对象、常规计数、分布式锁、共享 session 信息等。
  • List 类型的应用场景:消息队列(但是有两个问题:1. 生产者需要自行实现全局唯一 ID;2. 不能以消费组形式消费数据)等。
  • Hash 类型:缓存对象、购物车等。
  • Set 类型:聚合计算(并集、交集、差集)场景,比如点赞、共同关注、抽奖活动等。
  • Zset 类型:排序场景,比如排行榜、电话和姓名排序等。

Redis 后续版本又支持四种数据类型,它们的应用场景如下:

  • BitMap(2.2 版新增):二值状态统计的场景,比如签到、判断用户登陆状态、连续签到用户总数等;
  • HyperLogLog(2.8 版新增):海量数据基数统计的场景,比如百万级网页 UV 计数等;
  • GEO(3.2 版新增):存储地理位置信息的场景,比如滴滴叫车;
  • Stream(5.0 版新增):消息队列,相比于基于 List 类型实现的消息队列,有这两个特有的特性:自动生成全局唯一消息ID,支持以消费组形式消费数据。

2、五种常见的 Redis 数据类型是怎么实现?

我画了一张 Redis 数据类型和底层数据结构的对应关图,左边是 Redis 3.0版本的,也就是《Redis 设计与实现》这本书讲解的版本,现在看还是有点过时了,右边是现在 Redis 7.0 版本的。

String 类型内部实现

String 类型的底层的数据结构实现主要是 SDS(简单动态字符串)。 SDS 和我们认识的 C 字符串不太一样,之所以没有使用 C 语言的字符串表示,因为 SDS 相比于 C 的原生字符串:

  • SDS 不仅可以保存文本数据,还可以保存二进制数据。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。所以 SDS 不光能存放文本数据,而且能保存图片、音频、视频、压缩文件这样的二进制数据。
  • SDS 获取字符串长度的时间复杂度是 O(1)。因为 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);而 SDS 结构里用 len 属性记录了字符串长度,所以复杂度为 O(1)。
  • Redis 的 SDS API 是安全的,拼接字符串不会造成缓冲区溢出。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,所以不会导致缓冲区溢出的问题。

List 类型内部实现

List 类型的底层数据结构是由双向链表或压缩列表实现的:

  • 如果列表的元素个数小于 512 个(默认值,可由 list-max-ziplist-entries 配置),列表每个元素的值都小于 64 字节(默认值,可由 list-max-ziplist-value 配置),Redis 会使用压缩列表作为 List 类型的底层数据结构;
  • 如果列表的元素不满足上面的条件,Redis 会使用双向链表作为 List 类型的底层数据结构;

但是在 Redis 3.2 版本之后,List 数据类型底层数据结构就只由 quicklist 实现了,替代了双向链表和压缩列表

Hash 类型内部实现

Hash 类型的底层数据结构是由压缩列表或哈希表实现的:

  • 如果哈希类型元素个数小于 512 个(默认值,可由 hash-max-ziplist-entries 配置),所有值小于 64 字节(默认值,可由 hash-max-ziplist-value 配置)的话,Redis 会使用压缩列表作为 Hash 类型的底层数据结构;
  • 如果哈希类型元素不满足上面条件,Redis 会使用哈希表作为 Hash 类型的底层数据结构。

在 Redis 7.0 中,压缩列表数据结构已经废弃了,交由 listpack 数据结构来实现了

Set 类型内部实现

Set 类型的底层数据结构是由哈希表或整数集合实现的:

  • 如果集合中的元素都是整数且元素个数小于 512 (默认值,set-maxintset-entries配置)个,Redis 会使用整数集合作为 Set 类型的底层数据结构;
  • 如果集合中的元素不满足上面条件,则 Redis 使用哈希表作为 Set 类型的底层数据结构。

ZSet 类型内部实现

Zset 类型的底层数据结构是由压缩列表或跳表实现的:

  • 如果有序集合的元素个数小于 128 个,并且每个元素的值小于 64 字节时,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不满足上面的条件,Redis 会使用跳表作为 Zset 类型的底层数据结构;

在 Redis 7.0 中,压缩列表数据结构已经废弃了,交由 listpack 数据结构来实现了。

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