Redis 五种数据类型详解

redis 数据类型详解

本文主要介绍Redis 五种数据结构字符串、哈希、列表、集合、有序集合，本文主要从下面几个方面进行介绍

• 使用方式
• 使用场景
• 内部编码

redis 字符串

命令格式

SET key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]
key：要设置的键名。
value：与键关联的新值。
[EX seconds]：设置键的过期时间（以秒为单位）。
[PX milliseconds]：设置键的过期时间（以毫秒为单位）。
[NX]：仅在键不存在时设置键。
[XX]：仅在键已经存在时设置键。

批量命令

使用 MSET 和 MGET 批量多个键值对操作，批量操作可以减少网络传输时间，一定程度能提升性能，注意由于redis是单线程执行命令，如果一次批量执行命令过多，可能会阻塞其他命令。

使用场景

• 分布式锁
  通过 NX 选项可以实现分布式锁， 当然如果考虑锁续期，以及分布式下单点故障，可以使用redission 替代。

• 缓存
  比如缓存用户信息，登录态、

使用demo

> SET user:1000 "Alice"
OK
> GET user:1000
"Alice"


# 批量命令

> MSET user:1001 "Bob" user:1002 "Charlie" user:1003 "Diana"
OK

# 同时获取多个用户的姓名
> MGET user:1001 user:1002 user:1003
1) "Bob"
2) "Charlie"
3) "Diana"

内部编码

• int：
  当字符串是整数，并且可以由 long 类型表示时，Redis 直接将这个整数存储为一个整数值,这种编码非常节省内存，因为不需要额外的 SDS 头部信息。

• embstr：
  当字符串较短时，Redis 会使用 embstr 编码。，它将 SDS 的头部和数据放在一块连续的内存区域中，这样做可以减少内存碎片，提高缓存局部性。

• raw：
  对于较长的字符串，Redis 会使用 raw 编码。
  在这种编码下，SDS 的头部和数据是分开分配的。这种方式更灵活，允许对大容量数据进行高效的管理。

综上 Redis字符串类型底层结构不仅仅是SDS，根据情况对空间与时间的折中选择合适的编码格式。

哈希

redis 哈希可以用来存储多个键值对,例如存储用户信息、商品信息等结构化数据

使用demo

# 使用HSET命令存储用户信息
HSET user:1000 username "codetonignt"  
HSET user:1000 age 18  
HSET user:1000 email "codetonignt@example.com"

# 使用HGET命令获取用户信息
HGET user:1000 username  # 返回 "codetonignt"  
HGET user:1000 age       # 返回 "18"  
HGET user:1000 email     # 返回 "codetonignt@example.com"

# 使用HGETALL命令获取用户的所有信息
HGETALL user:1000
# 返回 "username" "codetonignt" "age" "18" "email" "codetonignt@example.com"



# HMSET 设置多个字段值
HMSET user:1000 sex man nationality china

# HMGET 获取多个字段值
HMGET user:1000 sex nationality
# 返回  "man"  "china"

性能

hash 可以最多存储(2^32 - 1)个键值对，大多数hash操作时间复杂度是O(1)。HKEYS, HVALS, HGETALL时间复杂度是O(N);

内部编码

• ziplist：
  当哈希中的字段数量较少，并且每个字段和值的大小都较小时，Redis 会使用 ziplist 编码，它更加节约内存。

• hashtable：
  当哈希中的字段数量较多或单个字段/值的大小较大时，Redis 会切换到 hashtable 编码。哈希表提供 O(1) 平均时间复杂度的操作性能，但存储空间比ziplist消耗更多。

列表

Redis列表是简单的字符串列表，按照插入顺序排序。支持在两端进行添加或移除元素，列表的最大长度是 2^32 - 1 个元素。

Redis 列表的主要特性包括：

• 可以在两端插入和删除
• 列表中元素可以重复
• 元素是有顺序的
• BLPOP 和 BRPOP 操作是阻塞的

常见命令

LPUSH key value [value ...]：将一个或多个值插入到列表 key 的头部。
RPUSH key value [value ...]：将一个或多个值插入到列表 key 的尾部。
LPOP key：移除并返回列表 key 的头元素。
RPOP key：移除并返回列表 key 的尾元素。
LRANGE key start stop：获取列表 key 中指定范围内的元素，索引从 0 开始。
LLEN key：返回列表 key 的长度。
LINDEX key index：返回列表 key 中，下标为 index 的元素。
LSET key index value：设置列表 key 中下标为 index 的元素的值为 value。
LTRIM key start stop：修剪列表 key，使之只保留指定范围内的元素。
BLPOP key [key ...] timeout：移除并返回第一个非空列表的第一个元素，或者阻塞直到有元素可取或超时。
BRPOP key [key ...] timeout：与 BLPOP 类似，但是是从列表的尾部弹出元素。

内部编码

• ziplist
  当列表中元素较少，且每个元素都是小正数或者是比较短字符串时，使用ziplist存储，它将多个元素紧凑地存储在一起，减少了内存碎片

• 双向链表
  否则使用 双向链表实现的：Redis 使用的是双向链表，维护一个长度计数器，因此LLEN key时间复杂度O(1)

相关配置
如果列表中的元素数量超过了 list-max-ziplist-entries 参数设置的值（默认为512）。
或者如果列表中的任何一个元素的大小超过了 list-max-ziplist-value 参数设置的值（默认为64字节）

使用场景

• 最新消息排行榜
• 消息队列实现 （利用列表阻塞操作）

性能

list 最多可以有 2^32 - 1 个元素。

LPUSH、LPOP、RPUSH、RPOP 头部或尾部操作时间复杂度是O(1),
LINDEX、 LINSERT、 LSET 时间复杂度是O(N);

同样的如果链表中元素数量过多，同样存在大key问题,
（比如使用 LRANGE key start stop 等命令取出所有元素）

集合

Redis 集合是一种无序且不重复的数据结构，类似于Java中的HashSet，它支持交集、并集、差集等功能，用于存储一组字符串元素。

限制：

集合最多可以有 2^32 - 1 (4,294,967,295)个元素

使用示例

# 为用户 user1001 添加标签
> SADD user1001:tags "photography" "travel" "food"
(integer) 3

# 为用户 user1001 添加更多标签
> SADD user1001:tags "music"
(integer) 1

# 删除用户 user1001 的某个标签
> SREM user1001:tags "food"
(integer) 1


# 获取用户 user1001 的所有标签
> SMEMBERS user1001:tags
1) "photography"
2) "travel"
3) "music"

# 检查用户 user1001 是否有特定标签
> SISMEMBER user1001:tags "photography"
(integer) 1
> SISMEMBER user1001:tags "sports"
(integer) 0

性能

大多数集合操作包括SADD、SREM和SISMEMBER 时间复杂度都是O(1)，SMEMBERS 返回所有元素如果集合中元素过多时应谨慎使用，考虑使用SSCAN替代，对于大数据场景，判断元素是否在集合中可能占大量内存，可以考虑使用bloom过滤器替代。

内部编码

• intset：
  当集合中的所有元素都是整数，并且集合的大小较小（默认少于512个元素）时，Redis 会使用 intset 编码。intset 是一个有序的整数数组，支持快速查找和插入操作。它在内存中占用的空间较少，并且对小规模的数据集非常高效。

• hashtable：
  当集合中的元素较多或包含非整数元素时，Redis 会切换到 hashtable 编码。哈希表提供 O(1) 平均时间复杂度的操作性能。

使用场景

可以用集合存储用户标签、好友关系等。

有序集合

Redis有序集合可以存储不重复的字符串成员，并为每个成员关联一个分数（score），以便按分数对成员进行排序。

因此它可以用来实现排行榜、优先级队列等业务场景

使用举例

> ZADD leaderboard 100 "user1"
(integer) 1
> ZADD leaderboard 200 "user2" 150 "user3"
(integer) 2


#  ZRANGE key start stop [WITHSCORES] 按照分数从小到大获取指定范围内的成员
> ZRANGE leaderboard 0 2 WITHSCORES
1) "user1"
2) "100"
3) "user3"
4) "150"
5) "user2"
6) "200"




# ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES] 按照分数从大到小获取指定范围内的成员

> ZREVRANGE leaderboard 0 2 WITHSCORES
1) "user2"
2) "200"
3) "user3"
4) "150"
5) "user1"
6) "100"

性能

大部分操作时间复杂度是 O(log(n))

内部编码

• ziplist：
  当有序集合中的元素数量较少，并且每个元素的大小也较小时，Redis 会使用 ziplist 编码。ziplist 非常适合小规模的数据集，因为它在内存中占用的空间较小，并且访问速度较快。

• skiplist：
  当有序集合中的元素数量较多或单个元素的大小较大时，Redis 会切换到 skiplist 编码。跳表支持高效的范围查询和插入/删除操作，适用于大规模的数据集。

总结

• 时间与空间兼顾

Redis 底层使用不仅仅考虑效率（时间复杂度），同时也兼顾空间复杂度，因此同一种数据类型，Redis底层编码因存储内容，大小等因素不同，会采用不同的编码进行存储。

• 合理使用批量命令

Redis 基本是内存操作，因此性能很高，通常多个操作耗时主要在网络传输上，因此redis支持一些批量命令，如mget ,mset 可以有效减少网络传输时间，由于redis 是当线程模型，批量命令也不能滥用，一次批量键值对也不能过多，否则会阻塞其他命令。

• 大Key问题

大key指占用大量内存的键，如很长的字符串，列表元素过多。访问或操作大Key，会导致 Redis 服务器阻塞一段时间，同时会消耗大量的 CPU 和内存资源，因此需要尽量避免。