Redis基础数据结构及操作命令解析

Redis有五种基础数据结构，分别为string、list、hash、set、zset。

字符串类型（string）

字符串类型是Redis中最基本的数据类型，它能存储任何形式的字符串，包括二进制数据、JSON化的对象甚至是一张图片。一个字符串类型键允许存储的数据的最大容量是512 MB，String数据结构是简单的key-value类型，value其实不仅是String，也可以是数字。

基础结构

Redis的字符串是动态字符串，内部结构的实现类似于Java的ArrayList，采用预分配冗余空间的方式来减少内存的频繁分配。string在redis内部结构是一个带长度信息的字节数组，叫做"Simple Dynamic String"。

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struct SDS<T>{
    T capacity; // 数组容量
    T len;  // 数组长度
    byte flags; // 特殊标志位，不用理睬它
    byte[] content; // 数组内容
}

如上代码所示，capacity表示所分配数组的长度；len表示字符串的实际长度；content表示字符串的内容。
上面SDS结构使用了泛型T，之所以使用泛型，是因为redis为了对内存做极致的优化，不同长度的字符串使用不同的结构体来表示，当字符串比较短的时候，len和capacity就使用byte和short来表示。
字符串的扩容，字符串长度小于1MB之前，扩容空间采用加倍策略；字符串长度超过1MB之后，为了避免加倍扩容带来的冗余空间的浪费，就每次扩容1MB。

embstr VS raw

字符串有两种存储方式，在长度特别短时，使用embstr形式存储，长度超过44字节时，使用raw形式存储。
embstr是将RedisObject对象头结构和SDS对象连续存在一起，一次内存分配即可。
raw是将RedisObject对象头结构和SDS对象分开存储，内存地址不连续。

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struct RedisObject{
    int4 type;
    int4 encoding;
    int24 lru;
    int32 refcount;
    void *ptr;
}

如上代码所示，RedisObject对象头占16字节的内存空间，是每种数据结构共有的结构，且ptr指针指向具体对象内容的内存地址，这里就是SDS的内存地址。

为什么长度超过44字节就会使用raw形式存储呢？

内存分配器每次分配内存大小分别是2/4/8/16/32/64等字节，一个完整的embstr对象至少需要32个字节的空间（RedisObject对象头16字节+SDS头3字节），字符串总体超过64字节Redis会认为是一个大字符串，选择raw形式存储。
RedisObject对象头16字节；SDS头3字节；字符串是以null结尾占1字节。总共20字节，所以留给存储数据的空间就只有44字节。

常用命令

get、set、incr、decr、mget

1. SET（赋值）

SET key value，对指定key赋值value。

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SET user:1 zhangsan

2. GET（取值）

GET key，取得指定key的value值。

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GET user:1

3. INCR（递增数字）

INCR key，将key指定为递增数字，每次调用都会自增1。INCR是保证原子性的，即多个线程同时操作不会发生线程不安全的情况。
注：如果key不为整数时，会报错。

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INCR num
redis> 1

4. INCRBY（增加指定的整数）

INCRBY key value，INCRBY与INCR命令类型，只是INCRBY可以对某个key增加指定的整数，而INCR每次都固定增加1。

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INCRBY num 3
redis> 4

5. DECR（递减数字）

DECR key，每次调用都会自减1。

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DECR num
redis> 3

6. DECRBY（减少指定的整数）

DECRBY key value，每次调用对某个key减少指定的整数。

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DECRBY num 2
redis> 1

7. INCRBYFLOAT（增加指定浮点数）

INCRBYFLOAT key value，每次调用对某个key增加指定浮点数。

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INCRBYFLOAT folat_num 5E+4
redis> 50006.30000000000000071

8. APPEND（尾部追加值）

APPEND key value，每次调用对某个key增加指定浮点数。如果key不存在，则相当于SET key value，返回追加值的总长度。

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APPEND user:1 feng
GET user:1
redis> "zhangsanfeng"

9. STRLEN（获取字符串的长度）

STRLEN key，返回key对应value长度，如果不存在就返回0。

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STRLEN user:1
redis> (integer) 12

10. MGET（取得多个键值）

MGET ...key，返回指定的多个key的value值。

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MGET key1 key2 key3

11. MSET（设置多个键值）

MSET key value $key value$ ，对多个key设置value。

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MSET key1 k1 key2 k2 key3 k3

列表类型（list）

Redis的列表相当于Java中的LinkedList（双向链表），亦意味着插入和删除只需O(1)，读取需要O(n)。可以巧妙运用列表提供的操作命令来完成队列和栈的数据结构操作。
列表类型(list)可以用来存储一个有序的字符串列表，常用操作是向列表两端添加元素，或者取得某个片段。列表类型内部是使用双向链表实现的，即向列表两端添加元素的时间复杂度都为O(1)，获取越接近两端的元素越快。

常用命令

1. LPUSH（列表左边添加元素）

LPUSH key value $...value$ ，从列表左边添加指定元素，可以添加多个，返回添加元素后列表的长度。

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LPUSH numbers 1
redis> 1

2. RPUSH（列表右边添加元素）

RPUSH key value $...value$ ，从列表右边添加指定元素，可以添加多个，同样返回添加元素之后，当前列表的长度。

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RPUSH numbers 2
redis> 2

3. LPOP（从列表左边弹出一个元素）

LPOP key，从列表左边弹出一个元素，该操作分为两步，第一步将元素从列表中移除，第二部将元素返回。

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LPOP numbers
redis> 1

4. RPOP（从列表右边弹出一个元素）

RPOP key，从列表右边弹出一个元素，该操作分为两步，第一步将元素从列表中移除，第二部将元素返回。

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RPOP numbers
redis> 2

5. LLEN（获取列表中元素个数）

LLEN key，获取列表中元素个数，返回个数。

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LLEN numbers
redis> 2

6. LRANGE（获取列表片段）

LRANGE key start stop，获取列表片段，索引从0开始，LRANGE与POP命令不同，LRANGE只取出片段不会将其从列表中删除。

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LRANGE numbers 0 3
redis>

7. LREM（删除列表中指定值）

LREM key count value，删除列表中指定值。

当count > 0时LREM命令会从列表左边开始删除前count个值为value的元素。
当count < 0时LREM命令会从列表右边开始删除前count个值为value的元素。
当count = 0时LREM命令会删除所有值为value的元素。

LREM numbers 0 2

6. LINDEX（获取指定索引位置的元素）

LINDEX key index，获取指定索引位置的元素，索引从0开始，获取索引为0位置的元素。

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LINDEX numbers 0

7. LSET（设置指定索引位置的元素）

LSET key index value，设置指定索引位置的元素，索引从0开始，设置索引为0位置的元素为7。

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LSET numbers 0 7

8. LTRIM（删除指定范围外的所有元素）

LTRIM key start end，删除指定范围外的所有元素，删除除0-3位置之外的所有元素。

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LTRIM numbers 0 3

9. LINSERT（向列表中插入元素）

LINSERT key AFTER|BEFORE pivot value，向列表中插入元素，在选择在指定元素前面插入还是后面插入。

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LINSERT numbers AFTER 3 2

在元素3后插入2。

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LINSERT numbers BEFORE 3 2

在元素3前插入2。

集合类型（set）

Redis的集合相当于Java中的HashSet，内部的键值对是无序且唯一的。内部相当所有元素的value都为null的一个特殊的字典。set可用于需要去重的地方。
集合类型和列表类型及其相似。但集合类型主要用于求得交集、并集和差集。

常用命令

1. SADD（添加元素）

SADD key member $...member$ ，添加元素，可以添加多个，当所添加元素已经存在，不再添加。

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SADD letters a b c d

2. SREM（删除元素）

SREM key member $...member$ ，删除元素，可以删除多个，返回成功删除个数。

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SREM letters d

3. SISMEMBER（判断元素是否在集合中）

SISMEMBER key member，判断元素是否在集合中，有返回1，否则返回0。

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SISMEMBER letters a

4. SDIFF（差集运算）

SDIFF key $...key$ ，差集运算。

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SADD A 1 2 3 4 5
SADD B 2 4 6 8 9
SDIFF A B
1) "1"
2) "3"
3) "5"

SDIFF A B = A - B，返回即集合A排除掉A与B交集之后的元素。

5. SINTER（交集运算）

SINTER key $...key$ ，交集运算，返回即集合A与B共有元素。

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SADD A 1 2 3 4 5
SADD B 2 4 6 8 9
SINTER A B
1) "2"
2) "4"

6. SUNION（并集运算）

SUNION key $...key$ ，交集运算，返回A + B，所有元素。

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SADD A 1 2 3 4 5
SADD B 2 4 6 8 9
SUNION A B
1) "1"
2) "2"
3) "3"
4) "4"
5) "5"
6) "6"
7) "8"
8) "9"

7. SCARD（获得集合中元素个数）

SCARD key，获得集合中元素个数。

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SCARD A

8. SPOP（从集合中弹出一个元素）

SPOP key，从集合中随机弹出一个元素，因为集合是无序的。

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SPOP A

散列类型（hash）

Redis的字典相当于Java语言里面的HashMap，它是无序字典，内部存储了很多键值对。其内部实现结构也和Java的HashMap一样，"数组+链表"形式，如遇hash冲突则用链表串起来。
大字典的扩容比较耗时，首先需要重新申请新的数组，然后再将旧字典中的所有元素搬移到新数组中。这是一个O(n)级别的操作，单线程的Redis显然承担不起，所以Redis采用渐进式rehash的方式进行扩容。小步搬移，等待所有都搬移完毕之后再释放旧字典的内存。
一般情况下，当hash元素个数等于数组长度时就会扩容两倍。但是如果当前redis正在bgsave（将数据保存到磁盘），为了减少内存页的过多分离，redis会选择尽量不去扩容，但是如果元素个数已经是数组长度的5倍，那么此时会强制扩容。
如果hash表中元素个数低于数组长度的10%，redis就会进行缩容，且不考虑bgsave。

hash攻击

如果hash函数存在偏向性，这种偏向性就会被利用来攻击服务器。因为偏向性强的hash函数会将过多的元素分配到同一个链表中，从而就会使查找从O(1)退化为O(n)。

常用命令

1. HSET（赋值）

HSET key field value，对key中的field字段设置value。

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HSET car price 500
HSET car name changan

以上是分别对car下price字段和name进行赋值，price+name类似于一个对象或一个hashmap。

2. HGET（取值）

HGET key field，取得指定key下指定的field字段。

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HGET car price
redis> 500

3. HMSET（批量赋值）

HMSET key field value $field value ...$ ，对指定key下字段批量赋值。

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HMSET car price 600 name changan

对car下price字段和name同时进行赋值。

4. HMGET（取值）

HMGET key field $field ...$ ，取得指定key下指定的field字段对应值。

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HMGET car price name
redis> "600"
redis> "changan"

5. HGETALL（取的所有值）

HGETALL key，取得指定key下所有字段对应值，返回格式为field-value形式。

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HGETALL car
redis> "price"
redis> "600"
redis> "name"
redis> "changan"

6. HEXISTS（判断字段是否存在）

HEXISTS key field，判断指定key下的field字段是否存在，存在返回1，否则返回0。

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HEXISTS car price
redis> 1

7. HSETNX（当字段不存在时赋值）

HSETNX key field value，对某个key下field进行赋值，但如果该field存在则不做任何操作，不存在才赋值。

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HSETNX car price 500
redis> 0
HSETNX car brand changan
redis> 1

8. HINCRBY（增加指定数字）

HINCRBY key field increment，对指定key的field增加指定数字，类似于字符串类型的INCRBY。

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HINCRBY car price 400
redis> 1000
HGET car price
redis> "1000"

9. HDEL（删除字段）

HDEL key field $field ...$ ，删除key下field字段，这里可以为多个。

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HDEL car brand
redis> 1

10. HKEYS（获取所有field字段）

HKEYS key，获取当前key下所有field字段。

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HKEYS car
redis> "price"
redis> "name"

11. HVALS（获取所有field字段对应值）

HVALS key，获取当前key下所有field字段对应值。

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HVALS car
redis> "1000"
redis> "changan"

12. HLEN（获取field字段数量）

HLEN key，获取field字段数量。

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HLEN car
redis> 2

有序集合类型（zset）

Redis的有序列表首先保证内部value的唯一性，且还可以给每一个value设置一个score代表其排序的权重，zset内部是用跳跃列表来实现的。
因为zset提供有score进行排序，所有在读取数据时可以指定某一区间的score进行读取数据，从而可以实现一个有序、不重复且可灵活读取的列表。
有序集合类型和集合类型，一个是无序，一个有序的。有序集合类型与列表类型：

列表类型是通过链表实现，即两端元素获取速度快，更多用于"日志"或"新鲜事"的应用场景。
有序集合类型是通过散列表和跳跃表实现，即读取中间数据相比列表类型要快。
列表类型不能简答的调整某个元素的位置，但有序集合类型可以（通过更改元素的分数）。
有序集合类型比列表类型更耗费内存。

常用命令

1. ZADD（添加元素）

ZADD key $NX\|XX$ $CH$ $INCR$ score member $score member ...$ ，添加元素，可以添加多个，这里的score可以是应用场景中任何用于排序的元素。

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ZADD scoreboard 90 Tom 60 Ann 87 Jason

2. ZSCORE（获取分数）

ZSCORE key member，获取指定key分数。

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ZSCORE scoreboard Tom

3. ZRANGE（获取某个范围排名的元素：从小到大）

ZRANGE key start stop $WITHSCORES$ ，获取排名在某个范围的元素，WITHSCORES-加上之后会将分数一同返回。

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ZRANGE scoreboard 0 2
1) "Ann"
2) "Jason"
3) "Tom"

4. ZREVRANGE（获取某个范围排名的元素：从大到小）

ZREVRANGE key start stop $WITHSCORES$ ，获取排名在某个范围的元素，WITHSCORES-加上之后会将分数一同返回。

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ZREVRANGE scoreboard 0 2
1) "Tom"
2) "Jason"
3) "Ann"

5. ZRANGEBYSCORE（获取指定分数范围的元素）

ZRANGEBYSCORE key min max $WITHSCORES$ $LIMIT offset count$ ，获取指定分数范围的元素，WITHSCORES-加上之后会将分数一同返回。

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ZRANGEBYSCORE scoreboard 70 100
1) "Jason"
2) "Tom"

6. ZINCRBY（增加指定分数）

ZINCRBY key score member，对指定key下的元素增加指定分数，如为-10------则表示为减少10分。

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ZINCRBY scoreboard 20 Ann

7. ZCARD（获取元素个数）

ZCARD key，获取集合中元素的个数并返回。

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ZCARD scoreboard
(integer) 3

8. ZCOUNT（统计指定范围的元素个数）

ZCARD key min max，统计指定范围的元素个数。

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ZCOUNT scoreboard 60 100
(integer) 3

9. ZREM（删除元素）

ZREM key member $...member$ ，删除元素。

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ZREM scoreboard Tom

10. ZRANK（获取元素中排名：从小到大）

ZREM key member，获取元素在有序集合中排名。

复制代码

ZRANK scoreboard Tom
(integer) 2

11. ZREVRANK（获取元素中排名：从大到小）

ZREVRANK key member，获取元素在有序集合中排名。

复制代码

ZREVRANK scoreboard Tom
(integer) 0

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