Redis:常用数据类型及其应用场景

        Redis中常见的数据类型有五种:String(字符串),Hash(哈希),List(列表),Set(集合)、Zset(有序集合)。下面我来分别介绍一下他们的实现原理和应用场景。

1、String类型

        string类型是我们最常使用的一个结构,当然这个key-value结构中value不光可以存储字符串,还可以是数字。其底层实现是int和SDS(简单动态字符串)。int大家熟,那我来解释一下SDS:        

  • 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。

String类型的应用场景:  
  • 常规计数:因为 Redis 处理命令是单线程,所以执行命令的过程是原子的。因此 String 数据类型适合计数场景,比如计算访问次数、点赞、转发、库存数量等等。

  • 分布式锁:SET 命令有个 NX 参数可以实现key不存在才插入,可以用它来实现分布式锁:

    如果 key 不存在,则显示插入成功,可以用来表示加锁成功;如果 key 存在,则会显示插入失败,可以用来表示加锁失败。

lock_key 就是 key 键;unique_value 是客户端生成的唯一的标识;NX 代表只在 lock_key 不存在时,才对 lock_key 进行设置操作;PX 10000 表示设置 lock_key 的过期时间为 10s,这是为了避免客户端发生异常而无法释放锁。

解锁的过程:就是将 lock_key 键删除,但不能乱删,要保证执行操作的客户端就是加锁的客户端。所以,解锁的时候,我们要先判断锁的 unique_value 是否为加锁客户端,是的话,才将 lock_key 键删除。

  • 共享 Session 信息

2、Hash类型

        Hash是一个键值对的集合,其中value内的形式是[<field1,value1>,<field2,value2>...],所以可以看出hash特别适合储存对象,其内value存储各各属性及其对应的值。

Hash类型的底层是由压缩列表或哈希表来实现的: 

  • 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。
Hash类型应用场景:
  • 存储对象:Hash 类型的 (key,field, value) 的结构与对象的(对象id, 属性, 值)的结构相似,也可以用来存储对象。
  • 购物车:以用户 id 为 key,商品 id 为 field,商品数量为 value,恰好构成了购物车的3个要素

    • 添加商品:HSET cart:{用户id} {商品id} 1
    • 添加数量:HINCRBY cart:{用户id} {商品id} 1
    • 商品总数:HLEN cart:{用户id}
    • 删除商品:HDEL cart:{用户id} {商品id}
    • 获取购物车所有商品:HGETALL cart:{用户id}
    • 当前仅仅是将商品ID存储到了Redis 中,在回显商品具体信息的时候,还需要拿着商品 id 查询一次数据库,获取完整的商品的信息。

3、List类型

        List列表是简单的字符串列表,按照插入顺序排序,可以从头部或尾部向List列表中添加元素。列表底层是由双向链表或者是压缩列表实现。

  • 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。quicklist 实际上是zipList 和linkedList 的混合体,它将linkedList 按段切分,每一段使用zipList 来紧凑存储,多个ziplist 之间使用双向指针串接起来。

List类型的应用场景:
  • 消息队列:消息队列在存取消息时,必须要满足三个需求,分别是消息保序、处理重复的消息和保证消息可靠性
    • 消息保序:使用 LPUSH + RPOP;
    • 阻塞读取:使用 BRPOP;
    • 重复消息处理:生产者自行实现全局唯一 ID;
    • 消息的可靠性:使用 BRPOPLPUSH
    • 但是List不支持消费组的实现(多个消费者消费同一条数据)。,一旦这条消息被消费就会移出List中。无法再次消费

4、Set类型     

        Set类型是一个无序并唯一的集合,它的存储顺序并不按照插入的先后顺序进行存储。概念和数学中的集合基本类似,可以交集,并集,差集等等,所以 Set 类型除了支持集合内的增删改查,同时还支持多个集合取交集、并集、差集。

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。
# 交集运算
SINTER key [key ...]
# 将交集结果存入新集合destination中
SINTERSTORE destination key [key ...]# 并集运算
SUNION key [key ...]
# 将并集结果存入新集合destination中
SUNIONSTORE destination key [key ...]# 差集运算
SDIFF key [key ...]
# 将差集结果存入新集合destination中
SDIFFSTORE destination key [key ...]
Set类型的应用场景: 

因此 Set 类型比较适合用来数据去重和保障数据的唯一性,还可以用来统计多个集合的交集、错集和并集等,当我们存储的数据是无序并且需要去重的情况下,比较适合使用集合类型进行存储。

  • 点赞:Set 类型可以保证一个用户只能点一个赞,这里举例子一个场景,key 是文章id,value 是用户id。

  • 共同关注:Set 类型支持交集运算,所以可以用来计算共同关注的好友、公众号等。

  • 抽奖活动:存储某活动中中奖的用户名 ,Set 类型因为有去重功能,可以保证同一个用户不会中奖两次。

5、ZSet类型

        Zset 类型(有序集合类型)相比于 Set 类型多了一个排序属性 score(分值),对于有序集合 ZSet 来说,每个存储元素相当于有两个值组成的,一个是有序集合的元素值,一个是排序值。有序集合保留了集合不能有重复成员的特性(分值可以重复),但不同的是,有序集合中的元素可以排序。

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。

相比于 Set 类型,ZSet 类型没有支持差集运算。

# 往有序集合key中加入带分值元素
ZADD key score member [[score member]...]   
# 往有序集合key中删除元素
ZREM key member [member...]                 
# 返回有序集合key中元素member的分值
ZSCORE key member
# 返回有序集合key中元素个数
ZCARD key # 为有序集合key中元素member的分值加上increment
ZINCRBY key increment member # 正序获取有序集合key从start下标到stop下标的元素
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
# 倒序获取有序集合key从start下标到stop下标的元素
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]# 返回有序集合中指定分数区间内的成员,分数由低到高排序。
ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]# 返回指定成员区间内的成员,按字典正序排列, 分数必须相同。
ZRANGEBYLEX key min max [LIMIT offset count]
# 返回指定成员区间内的成员,按字典倒序排列, 分数必须相同
ZREVRANGEBYLEX key max min [LIMIT offset count]
Zset类型的应用场景:
  • 排行榜:通过ZSet具有的那些API可以很轻易的实现排行榜功能。

  • 延时队列:zset 会按 score 进行排序,如果 score 代表想要执行时间的时间戳。在某个时间将它插入 zset 集合中,它变会按照时间戳大小进行排序,也就是对执行时间前后进行排序。起一个死循环线程不断地进行取第一个 key 值,如果当前时间戳大于等于该 key 值的 score 就将它取出来进行消费删除,可以达到延时执行的目的。

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