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【Redis6快速深入学习04】Redis字符串(String)的使用和原理

article 2024/9/24 14:21:28

Redis字符串(String)

4.1 Redis 中 String 的简介

String 是Redis五种最基本的类型之一，在使用时可以理解成与Memcached一模一样的类型，一个key对应一个value。

String 类型是二进制安全的。意味着 Redis 的 string 可以包含任何数据。比如 jpg 图片或者序列化的对象。

String 类型是 Redis 最基本的数据类型，一个 Redis 中字符串 value 最多可以是 512M。

4.2 常用命令

set <key> <value>：添加键值对
get <key>：查询对应键值

127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> get k1
"v1"

append <key> <value> 将给定的 <value> 追加到原值的末尾

127.0.0.1:6379> append k1 100
(integer) 5
127.0.0.1:6379> get k1
"v1100"

strlen <key>：获得值的长度

127.0.0.1:6379> strlen k1
(integer) 5

setnx <key> <value>：只有在 key 不存在时，设置 key 的值，而key存在时，不对key对应的value值作修改，之前的 set 命令则会覆盖原来的值

127.0.0.1:6379> set k1 v1
OK
127.0.0.1:6379> set k2 v2
OK
127.0.0.1:6379> keys *
1) "k2"
2) "k1"
127.0.0.1:6379> set k1 v110
OK
127.0.0.1:6379> get k1
"v110"
127.0.0.1:6379> get k2
"v2"
127.0.0.1:6379> setnx k2 v210
(integer) 0
127.0.0.1:6379> get k2
"v2"

incr <key>：将 key 中储存的数字值增1，只能对数字值操作，如果为空，新增值为1

127.0.0.1:6379> set k3 1
OK
127.0.0.1:6379> incr k3
(integer) 2
127.0.0.1:6379> get k3
"2"
127.0.0.1:6379> incr k3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> incr k3
(integer) 4
127.0.0.1:6379> get k3
"4"

decr <key>：将 key 中储存的数字值减1，只能对数字值操作，如果为空，新增值为-1

127.0.0.1:6379> decr k3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> get k3
"3"
127.0.0.1:6379> decr k3
(integer) 2
127.0.0.1:6379> decr k3
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get k3
"1"

incrby/decrby <key> <步长>将 key 中储存的数字值增减。自定义步长。

127.0.0.1:6379> incrby k3 5
(integer) 6
127.0.0.1:6379> incrby k3 5
(integer) 11
127.0.0.1:6379> incrby k3 5
(integer) 16
127.0.0.1:6379> get k3
"16"
127.0.0.1:6379> decrby k3 3
(integer) 13
127.0.0.1:6379> decrby k3 3
(integer) 10
127.0.0.1:6379> get k3
"10"

注意：incr key 是一种原子操作，所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。

（1）在单线程中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是"原子操作"，因为中断只能发生于指令之间。

（2）在多线程中，不能被其它进程（线程）打断的操作就叫原子操作。

Redis单命令的原子性主要得益于Redis的单线程。

案例：

java中的i++是否是原子操作？不是，java是多线程的

i = 0；两个线程分别对i进行++100次，值是多少？ 2~200

i++ 的步骤（1）取值，（2）++，（3）赋值

Thread-0	Thread-1
i=0 …… i++ i=99
	i++ i=1
i=1
	i++ i=100
i++ i=2

mset <key1> <value1> <key2> <value2> .....：连续设置多个键值对

mget <key1> <key2> <key3> .....：同时获取一个或多个 value

127.0.0.1:6379> flushdb
OK
127.0.0.1:6379> mset k1 v1 k2 v2 k3 v3
OK
127.0.0.1:6379> mget k1 k2 k3
1) "v1"
2) "v2"
3) "v3"

msetnx <key1> <value1> <key2> <value2> ..... ：同时设置一个或多个 key-value 对，当且仅当所有给定 key 都不存在。且 msetnx 有一个失败其他都是注入无效的

127.0.0.1:6379> msetnx k1 v110 k4 v110
(integer) 0
127.0.0.1:6379> mget k1 k2 k3 k4
1) "v1"
2) "v2"
3) "v3"
4) (nil)
127.0.0.1:6379> msetnx k1 v110
(integer) 0
127.0.0.1:6379> mget k1 k2 k3 k4
1) "v1"
2) "v2"
3) "v3"
4) (nil)
127.0.0.1:6379> msetnx k4 v110
(integer) 1
127.0.0.1:6379> mget k1 k2 k3 k4
1) "v1"
2) "v2"
3) "v3"
4) "v110"

getrange <key> <起始位置> <结束位置> ：获得值的范围，类似java中的substring，前包，后包

127.0.0.1:6379> getrange k4 0 -1
"v110"
127.0.0.1:6379> getrange k4 0 2
"v11"

setrange <key> <起始位置> <value>：用覆写所储存的字符串值，从<起始位置>开始(索引从0开始)。

127.0.0.1:6379> getrange k4 0 -1
"v110"
127.0.0.1:6379> setrange k4 1 000
(integer) 4
127.0.0.1:6379> get k4
"v000"

setex <key> <过期时间> <value>：设置键值的同时，设置过期时间，单位秒。

127.0.0.1:6379> setex k5 40 v5
OK
127.0.0.1:6379> ttl k5
(integer) 35
127.0.0.1:6379> ttl k5
(integer) 32
127.0.0.1:6379> ttl k5
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ttl k5
(integer) -2

getset <key> <value>：以新换旧，设置了新值同时获得旧值。

127.0.0.1:6379> get k1
"v1"
127.0.0.1:6379> getset k1 v111
"v1"
127.0.0.1:6379> get k1
"v111"

4.3 底层逻辑

String类型的数据结构存储方式有三种int、raw、embstr。那么这三种存储方式有什么区别呢？

4.3.1 int

Redis中规定假如存储的是 整数型值，比如 set k1 1 这样的类型，就会使用 int的存储方式进行存储，在redisObject的ptr属性中就会保存该值。

4.3.2 SDS

结论先行：假如存储的字符串是一个字符串值并且长度大于44个字节就会使用 SDS（simple dynamic string） 方式进行存储，并且encoding设置为raw；若是字符串长度小于等于44个字节就会将encoding改为emdstr来保存字符串。

127.0.0.1:6379> set k1 qwertyuiopqwertyuiopqwertyuiopqwertyuiopqwert
OK
127.0.0.1:6379> debug object k1
Value at:0x7f70b1ca0dc0 refcount:1 encoding:raw serializedlength:21 lru:16311423 lru_seconds_idle:4
127.0.0.1:6379> set k2 qwertyuiopqwertyuiopqwertyuiopqwertyuiopqwer
OK
127.0.0.1:6379> debug object k2
Value at:0x7f70b1c22d80 refcount:1 encoding:embstr serializedlength:21 lru:16311924 lru_seconds_idle:2

k1 和 k2 只差了一个字符，存储形式 encoding 就发生了变化。对于较长的k1，其 encoding 为 raw ；对于较短的 k2，其 encoding 为 embstr。

在了解存储格式的区别之前，首先了解下RedisObject结构体。也对上面的结构体做解释。

所有的 Redis 对象都有一个 Redis 对象头结构体

struct RedisObject { 
    int4 type; // 4bits  类型
    int4 encoding; // 4bits 存储格式
    int24 lru; // 24bits 记录LRU信息
    int32 refcount; // 4bytes 
    void *ptr; // 8bytes，64-bit system 
} robj;

不同的对象具有不同的类型 type ，占4个bit。

同一个类型的 type 会有不同的存储形式 encoding，也占4个bit。

为了记录对象的 LRU 信息，使用了 24 个 bit 的 lru 来记录 LRU 信息。

每个对象都有个引用计数 refcount，当引用计数为零时，对象就会被销毁，内存被回收。

ptr 指针将指向对象内容 (body) 的具体存储位置。

所以，一个 RedisObject 对象头共需要占据 16 字节的存储空间。

再看一下RedisObject的10种存储格式——encoding

//这两个宏定义申明是在server.h文件中
#define OBJ_ENCODING_RAW 0     /* Raw representation */
#define OBJ_ENCODING_INT 1     /* Encoded as integer */
#define OBJ_ENCODING_HT 2      /* Encoded as hash table */
#define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3  /* Encoded as zipmap */
#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* No longer used: old list encoding. */
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
#define OBJ_ENCODING_INTSET 6  /* Encoded as intset */
#define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7  /* Encoded as skiplist */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8  /* Embedded sds string encoding */
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9 /* Encoded as linked list of ziplists */

而Redis 的字符串共有两种存储方式，在长度特别短时，使用 emb 形式存储 (embedded)，当长度超过 44 时，使用 raw 形式存储。那么为什么是 44 字节呢？

embstr 存储形式是这样一种存储形式，它将 RedisObject 对象头和 SDS 对象连续存在一起，使用 malloc 方法一次分配。

而 raw 存储形式不一样，它需要两次 malloc，两个对象头在内存地址上一般是不连续的。

在字符串比较小时，SDS 对象头的大小是capacity+3——SDS结构体的内存大小至少是 3。意味着分配一个字符串的最小空间占用为 19 字节 (16+3)。

如果总体超出了 64 字节，Redis 认为它是一个大字符串，不再使用 emdstr 形式存储，而该用 raw 形式。而64-19-结尾的**\0**，所以empstr只能容纳44字节。

4.3.3 SDS的扩容策略和扩容

SDS_MAX_PREALLOC的容量大小定义在sds.h文件中，默认是 1024 * 1024，也就是1MB。

//扩容分配策略
newlen = (len+addlen);
// 如果新长度小于最大预分配长度则分配扩容为2倍
// 如果新长度大于最大预分配长度则仅追加SDS_MAX_PREALLOC长度
if (newlen < SDS_MAX_PREALLOC)
    newlen *= 2;
else
    newlen += SDS_MAX_PREALLOC;

通过源代码可以看出，扩容策略是字符串在长度小于 SDS_MAX_PREALLOC 之前，扩容空间采用加倍策略，也就是保留 100% 的冗余空间。当长度超过 SDS_MAX_PREALLOC 之后，为了避免加倍后的冗余空间过大而导致浪费，每次扩容只会多分配 SDS_MAX_PREALLOC大小的冗余空间。

4.5 String类型应用（存储图片）

（1）首先要把上传得图片进行编码，这里写了一个工具类把图片处理成了Base64得编码形式，具体得实现代码如下：

/**
     * 将图片内容处理成Base64编码格式
     * @param file
     * @return
     */
public static String encodeImg(MultipartFile file) {
    byte[] imgBytes = null;
    try {
        imgBytes = file.getBytes();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
    return imgBytes==null?null:encoder.encode(imgBytes );
}

（2）第二步就是把处理后的图片字符串格式存储进Redis中，实现得代码如下所示：

/**
     * Redis存储图片
     * @param file
     * @return
     */
public void uploadImageServiceImpl(MultipartFile image) {
    String imgId = UUID.randomUUID().toString();
    String imgStr= ImageUtils.encodeImg(image);
    redisUtils.set(imgId , imgStr);
    // 后续操作可以把imgId存进数据库对应的字段，如果需要从redis中取出，只要获取到这个字段后从redis中取出即可。
}