Redis 的原理和使用（2）

二、常见数据类型

Redis 对外提供 string、hash、list、set、zset 五种数据结构。

理解每种结构的特点与常见命令，是使用 Redis 的基础。

正式展开之前，先补充三块预备知识：全局命令、内部编码与单线程模型。

2.1 预备知识

（1）全局命令

无论哪种数据类型，都可以使用一组通用命令管理键，常见几个命令的语法与复杂度汇总在下表：

命令	作用	复杂度
KEYS pattern	按模式匹配全部键，会阻塞服务，生产环境谨慎使用。	O(n)
EXISTS key	判断键是否存在。	O(1)
DEL key $key ...$	删除一个或多个键，返回删除个数。	O(1)
EXPIRE key seconds	为键设置过期时间，到期后由 Redis 淘汰。	O(1)
TTL key	返回剩余过期时间，-1 表示未设置过期时间，-2 表示键不存在。	O(1)
TYPE key	返回键对应的数据类型。	O(1)

过期与淘汰的配合可以用一条时间轴理解：键在 n 秒内可以正常读取，n 秒过后被 Redis 淘汰，再次读取会得到不存在的提示：

EXPIRE 与 TTL 还提供毫秒级版本 PEXPIRE 与 PTTL，用于精度要求更高的场景。

以命令示例感受一下执行效果：

复制代码

redis> SET mykey "Hello"
"OK"
redis> EXPIRE mykey 10
(integer) 1
redis> TTL mykey
(integer) 10

（2）内部编码

对外是五种数据结构，对内每种结构还有多种底层实现，Redis 会根据数据规模与形态动态选择。

两个好处：一是改进内部编码时对外命令无感知，二是不同编码可以在各自场景发挥优势。五种结构与内部编码的对应关系见表：

数据结构	内部编码
string	int、embstr、raw
hash	ziplist、hashtable
list	ziplist、linkedlist
set	intset、hashtable
zset	ziplist、skiplist

内部编码可以通过 object encoding 命令查看：

复制代码

127.0.0.1:6379> set hello world
OK
127.0.0.1:6379> object encoding hello
"embstr"
127.0.0.1:6379> rpush mylist e1 e2 e3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> object encoding mylist
"ziplist"

单线程能跑到每秒万级别，原因可以归结为三点：

纯内存访问。内存响应时长大约 100 纳秒，这是高吞吐的重要基础。
非阻塞 IO。Redis 使用 epoll 作为 IO 多路复用实现，把连接、读写、关闭都注册为事件，不在网络 IO 上浪费过多时间。
单线程避免了线程切换与竞态消耗，也让数据结构和算法实现更简单。

单线程也有代价：单条命令执行时间过长，会拖住后面所有命令的响应。

因此 Redis 面向的是快速执行的场景，耗时操作需要谨慎设计。

2.2 String 字符串

字符串是最基础的类型。

两点留意：Redis 中所有键的类型都是字符串，其他数据结构建立在字符串之上；

字符串的值可以是普通字符串、JSON / XML 文本、数字，甚至图片、音频等二进制流，单个值上限 512 MB。

由于内部按二进制流保存，Redis 不处理编码问题，客户端用什么编码写入，就按什么编码存储。

（1）常用命令

字符串命令按功能可以分成几组，下表摘录高频命令：

命令	作用
SET key value	设置值，键已存在时覆盖并清除原有过期时间。
GET key	获取值。
MSET / MGET	批量设置 / 批量获取，一次往返完成多个键的操作。
INCR / DECR	值自增 / 自减 1，返回新值，可延伸出 INCRBY、DECRBY。
SETNX key value	键不存在时才设置成功，返回 1；已存在返回 0。
SETEX key seconds value	设置值的同时指定过期时间，等于 SET + EXPIRE。

批量命令的价值可以从数据上直观感受。

假设网络往返耗时 1 毫秒、命令执行耗时 0.1 毫秒，1000 次 get 与一次 mget 1000 个键的时间差距明显：

操作	时间
1000 次 get	1000 × 1 + 1000 × 0.1 = 1100 毫秒
1 次 mget 1000 个键	1 × 1 + 1000 × 0.1 = 101 毫秒

批量操作能显著提升吞吐，但单次批量携带的键数量也要控制，避免单条命令执行时间过长拖累整个服务。

（2）内部编码

字符串有三种内部编码，Redis 根据值的类型和长度动态选择：

int：值是整数时使用，节省内存。
embstr：值长度不超过 44 字节时使用，连续分配内存，读取更快。
raw：长度较长的字符串使用。

127.0.0.1:6379> set number 10086
OK
127.0.0.1:6379> object encoding number
"int"
127.0.0.1:6379> set hello world
OK
127.0.0.1:6379> object encoding hello
"embstr"
127.0.0.1:6379> set long_str "a very very long string ..."
OK
127.0.0.1:6379> object encoding long_str
"raw"

（3）使用场景

字符串类型覆盖了缓存、计数、会话、验证码等常见需求：

缓存：以 uid 为键存放用户信息，命中缓存直接返回，未命中再回源存储层并回写缓存。这套读写流程可以用下图概括：

计数：视频播放数、评论数等用 INCR 系列命令完成自增
会话：分布式 Web 服务把 Session 分散在各服务器上，用户刷新时可能被均衡到另一台机器导致重新登录

短信验证码：限制用户每分钟获取验证码不超过 5 次，用字符串配合过期时间实现频控。
分布式锁：利用 SETNX 的"仅当键不存在时写入"特性，作为锁的最简实现。

2.3 Hash 哈希

哈希类型指值本身又是一个键值对结构，形如 key = { field1: value1, field2: value2, ... }。

主流语言中它被称为哈希、字典或映射。

（1）常用命令

命令	作用
HSET key field value	设置指定字段的值，字段不存在时新建。
HGET key field	获取指定字段的值。
HMSET / HMGET	批量设置 / 批量获取多个字段。
HGETALL key	获取全部字段与值。
HINCRBY key field increment	字段值按指定步长自增。
HSETNX key field value	字段不存在时才设置成功。

复制代码

127.0.0.1:6379> hset user:1 name james
(integer) 1
127.0.0.1:6379> hset user:1 age 28
(integer) 1
127.0.0.1:6379> hgetall user:1
1) "name"
2) "james"
3) "age"
4) "28"

（2）内部编码

哈希的内部编码有两种：ziplist 与 hashtable。

一旦某个 value 超过 64 字节，或者字段个数超过 512，编码会转换为 hashtable：

复制代码

127.0.0.1:6379> object encoding user:1
"ziplist"
127.0.0.1:6379> hset user:2 big_field "a value longer than 64 bytes ..."
(integer) 1
127.0.0.1:6379> object encoding user:2
"hashtable"

（3）使用场景

哈希适合存放对象类数据，例如用户信息、商品信息。

使用哈希也要注意控制 ziplist 与 hashtable 之间的转换，转换过程会带来额外的内存消耗。

2.4 List 列表

列表类型用来存储多个有序的字符串，元素允许重复。

列表按插入顺序排列，两端操作效率高：lpush 从左侧插入，rpush 从右侧插入，lpop / rpop 从两端弹出。

（1）常用命令

命令	作用
LPUSH / RPUSH	从左侧 / 右侧插入一个或多个元素。
LPOP / RPOP	从左侧 / 右侧弹出元素。
LRANGE key start stop	按索引范围获取元素，支持正数与倒数下标。
LINDEX key index	获取指定索引位置的元素。
LLEN key	返回列表长度。
LREM key count value	删除指定数量的匹配元素。
BRPOP key $key ...$ timeout	阻塞式弹出，队列为空时等待指定时间。

列表的获取与删除是两个不同操作：lindex 只读不改，列表长度不变；lrem 会真正删除元素，长度随之变化：

（2）内部编码

列表同样有两种编码。

元素较少且没有大元素时用 ziplist；元素个数超过 512，或者某个元素长度超过 64 字节，转换为 linkedlist：

复制代码

127.0.0.1:6379> rpush listkey e1 e2 e3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> object encoding listkey
"ziplist"
127.0.0.1:6379> rpush listkey e1 e2 e3 ... e512 e513
(integer) 513
127.0.0.1:6379> object encoding listkey
"linkedlist"

（3）使用场景

列表的经典用法是消息队列。

生产者用 lpush 从左侧插入，消费者用 brpop 阻塞式从右侧争抢，多个消费者客户端分摊消费，兼顾负载均衡与高可用：

队列还可以按频道拆分：消费者通过 brpop 监听不同的键，实现订阅不同频道的效果，频道之间互不干扰：

微博这类业务按时间倒序展示动态，列表天然有序且支持按索引分页，配合哈希保存每条的属性，可以拼出完整的分页列表。

2.5 Set 集合

集合类型存储无序、不重复的字符串。集合提供了丰富的集合间运算，适合标签、社交类业务。

（1）常用命令

命令	作用
SADD key member $member ...$	添加一个或多个元素，已存在的元素被忽略。
SREM key member $member ...$	删除一个或多个元素，返回实际删除个数。
SMEMBERS key	返回集合全部元素。
SISMEMBER key member	判断元素是否在集合中。
SCARD key	返回元素个数。
SPOP key $count$	随机弹出元素，适合抽奖场景。
SINTER / SUNION / SDIFF	求交集 / 并集 / 差集。

复制代码

redis> SADD myset "one" "two" "three"
(integer) 3
redis> SREM myset "one"
(integer) 1
redis> SMEMBERS myset
1) "three"
2) "two"

（2）内部编码

集合有两种编码：元素都是整数且个数小于 set-max-intset-entries（ 512）时使用 intset，节省内存；不满足条件时使用 hashtable：

复制代码

127.0.0.1:6379> sadd setkey 1 2 3 4
(integer) 4
127.0.0.1:6379> object encoding setkey
"intset"
127.0.0.1:6379> sadd setkey "hello"
(integer) 1
127.0.0.1:6379> object encoding setkey
"hashtable"

（3）使用场景

交集、并集、差集的概念可以用集合间的圆圈关系表示：

典型场景包括：

标签系统：给文章打标签，用集合保存每个标签下的文章 id，支持按标签检索。
社交关系：共同好友用 SINTER 求交集，关注关系用集合存粉丝 / 关注列表。
抽奖：SPOP 随机弹出参与者，一次一个或多个。

2.6 Zset 有序集合

有序集合在集合"元素不重复"的基础上，为每个元素关联一个分数，元素按分数排序。用户排行榜就是它的典型应用：

列表、集合、有序集合三者容易混淆，异同点可以对比记忆：

数据结构	是否允许重复元素	是否有序	有序依据	应用场景
列表	是	是	索引下标	时间轴、消息队列
集合	否	否	无	标签、社交
有序集合	否	是	分数	排行榜、社交

（1）常用命令

命令	作用
ZADD key score member	添加元素并设置分数，元素已存在则更新分数。
ZRANGE key start stop	按分数从小到大的顺序返回指定索引范围元素。
ZREVRANGE key start stop	按分数从大到小的顺序返回元素。
ZSCORE key member	获取元素分数。
ZRANK / ZREVRANK	获取元素排名（正序 / 倒序）。
ZINCRBY key increment member	元素分数按步长自增。

（2）集合间操作

有序集合也支持交集、并集等运算，合并过程中按元素聚合分数，聚合方式有 sum、max、min，还可为各集合设置权重：

复制代码

ZINTERSTORE dest 2 user:ranking:1 user:ranking:2
# 合并后各元素分数按 sum 方式聚合
# mike 168（91 + 77），martin 875（625 + 250），tom 1139（888 + 251）

（3）内部编码

有序集合的编码同样是 ziplist 与 skiplist 的组合：元素个数少于 128 且成员长度不超过 64 字节时用 ziplist，超过后转换为 skiplist：

复制代码

127.0.0.1:6379> object encoding myzset
"ziplist"
127.0.0.1:6379> zadd myzset 1.0 a 2.0 b ... 129 个元素
(integer) 129
127.0.0.1:6379> object encoding myzset
"skiplist"

（4）使用场景

有序集合的应用集中在需要按分数排序与排名计算的场景：

游戏排行：玩家分数作为 score，ZREVRANGE 取出前 N 名。
热度榜单：按点击、销量等指标排序，ZINCRBY 实时更新分数。
时间排序：把时间戳作为分数，实现按时间范围检索的数据结构。

2.7 键遍历

全库键遍历用 KEYS 会阻塞服务，Redis 提供了渐进式遍历命令 SCAN。

它每次返回一部分键，通过游标继续迭代，多个客户端可以分头并行扫描，过程中不会阻塞主线程：

复制代码

127.0.0.1:6379> scan 0
1) "1024"      # 下一次遍历的游标
2)  1) "key:1"
    2) "key:12"
    ...
127.0.0.1:6379> scan 1024
1) "0"         # 游标归零，遍历结束
2)  1) "key:24"

SCAN 也提供 MATCH 模式与 COUNT 提示参数，用于按模式过滤和调整单次返回数量。

数据库管理方面，Redis 默认有 16 个逻辑库（0-15），用 SELECT 切换，用 FLUSHDB 清空当前库、FLUSHALL 清空全部库。