02- Redis 中的 List 数据类型和应用场景

1. 介绍

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 列表添加元素。

列表的最大长度为 2^32 - 1，也即每个列表支持超过 40 亿个元素。

2. 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。

3. 常用命令

# 将一个或多个值 value 插入到 key 列表的表头（最左边），最后的值在最前面
LPUSH key value [value ...]
​
# 将一个或多个值 value 插入到 key 列表的表尾（最右边）
RPUSH key value [value ...]
​
# 移除并返回 key 列表的头元素
LPOP key
​
# 移除并返回 key 列表的尾元素
RPOP key
​
# 返回列表 key 中指定区间内的元素，区间以偏移量 start 和 stop 指定，从 0 开始
LRANGE key start stop
​
# 从 key 列表表头弹出一个元素，没有就阻塞 timeout 秒，如果 timeout = 0 则一直阻塞
BLPOP key [key ...] timeout
​
# 从 key 列表表尾弹出一个元素，没有就阻塞 timeout 秒，如果 timeout = 0 则一直阻塞
BRPOP key [key ...] timeout

4. 应用场景

4.1 消息队列

消息队列在存取消息时，必须要满足三个需求，分别是消息保存、处理重复的消息和保证消息的可靠性。

Redis 的 List 和 Stream 两种数据类型，就可以满足消息队列的这三个需求。我们先来了解下基于 List 的消息队列实现方法，后面在介绍 Stream 数据类型的时候，再详细说说 Stream。

1、如何满足消息保存需求？

List 本身就是按先进先出的顺序对数据进行存取的，所以，如果使用 List 作为消息队列保存消息的话，就已经能满足消息保序的需求了。

List 可以使用 LPUSH + RPOP（或者反过来，RPUSH + LPOP）命令实现消息队列。

        lpush 增加消息                        rpop 获取消息
生产者   --------------> List 集合（存放消息） <------------ 消费者

• 生产者使用LPUSH key value [value ...]将消息插入到队列的头部，如果 key 不存在则会创建一个空的队列再插入消息。

• 消费者使用 RPOP key依次读取队列的消息，先进先出。

不过，在消费者读取数据时，有一个潜在的性能风险点。

在生产者往 List 中写入数据时，List 并不会主动地通知消费者有新消息写入，如果消费者想要及时处理消息，就需要在程序中不停地调用RPOP命令（比如使用一个 while true 循环）。如果有新消息写入，RPOP 命令就会返回结果，否则，RPOP 命令返回空值，再继续循环。

所以，即使没有新消息写入 List，消费者也要不停地调用 RPOP 命令，这就会导致消费者程序的 CPU 一直消耗在执行 RPOP 命令上，带来不必要的性能损失。

为了解决这个问题，Redis 提供了 BRPOP 命令。BRPOP 命令也称为阻塞式读取，客户端在没有读到队列数据时，自动阻塞，直到有新的数据写入队列，再开始读取新数据。和消费者程序自己不停地调用 RPOP 命令相比，这种方式能节省 CPU 开销。

2、如何处理重复的消息？

消费者要实现重复消息的判断，需要 2 个方面的要求：

• 每个消息都有一个全局的 ID。

• 消费者要记录已经处理过的消息 ID。当收到一条消息后，消费者程序就可以对比收到的消息 ID 和记录的已处理过的消息 ID，来判断当前收到的消息有没有经过处理。如果已经处理过，那么，消费者程序就不再进行处理了。

但是 List 并不会为每个消息生成 ID 号，所以我们需要自行为每个消息生成一个全局唯一 ID，生成之后，我们在使用 LPUSH 命令把消息插入 List 时，需要在消息中包含这个全局唯一 ID。

例如，我们执行以下命令，就把一条全局 ID 为 111000102、库存量为 99 的消息插入了消息队列：

> LPUSH mq "111000102:stock:99"
(integer) 1

3、如何保证消息可靠性？

当消费者程序从 List 中读取一条消息后，List 就不会再留存这条消息了。所以，如果消费者程序在处理消息的过程出现了故障或宕机，就会导致消息没有处理完成，那么，消费者程序再次启动后，就没法再次从 List 中读取消息了。

为了留存消息，List 类型提供了 BRPOPLPUSH命令，这个命令的作用是让消费者从一个 List 中读取消息，同时，Redis 会把这个消息再插到另一个 List（可以叫做备份 List）留存。

这样一来，如果消费者程序读了消息但没能正常处理，等它重启后，就可以从备份 List 中重新读取消息并进行处理了。

好了，到这里可以知道基于 List 类型的消息队列，满足消息队列的三大需求（消息保存、处理重复的消息和保证消息可靠性）。

• 消息保存：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

List 作为消息队列有什么缺陷？

List 不支持多个消费者消费同一条消息，因为一旦消费者拉取一条消息后，这条消息就从 List 中删除了，无法被其他消费者再次消费。

要实现一条消息可以被多个消费者消费，那么就要将多个消费者组成一个消费组，使得多个消费者可以消费同一条消息，但是 List 类型并不支持消费组的实现。

这就要说起 Redis 从 5.0 版本开始提供的 Stream 数据类型了，Stream 同样能够满足消息队列的三大需求，而且它还支持【消费组】形式的消费读取。