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【redis】redis操作zset类型的key发生了什么？

article 2025/1/30 16:31:26

以下是关于Redis操作（添加、删除、修改、查询）ZSet类型key的完整过程。

功能

Redis操作ZSet类型key的过程包括：

添加：通过ZADD命令创建或更新ZSet类型的键值对。
删除：通过ZREM命令移除ZSet中的成员。
修改：通过ZINCRBY命令更新成员的分数。
查询：通过ZRANGE、ZSCORE等命令获取ZSet的信息。

ZSet数据结构

（一）数据结构

Redis的ZSet（有序集合）是基于两个内部数据结构实现的：

字典（Dictionary）：用于存储成员和分数的映射关系，支持快速查找。
跳表（Skip List）：用于存储成员的有序排列，支持快速范围查询[⁷²]。

1. 编码方式

ZSet的编码方式为：

ziplist：当集合较小（成员数量较少且分数为整数）时，使用压缩列表编码。
skiplist：当集合较大或成员分数为浮点数时，使用跳表编码[⁷²]。

2. 数据长度限制

ZSet的成员数量没有硬性限制，但过多的成员可能影响性能。
分数（score）为双精度浮点数，范围为-inf到+inf[⁷²]。

操作过程

时序图

（一）添加成员（`ZADD`）

客户端发送命令：

ZADD key score member [score member ...]

示例：

ZADD myset 1 "apple" 2 "banana" 3 "cherry"

服务器处理：
- 检查键是否存在，如果不存在则创建新的ZSet。
- 将成员和分数插入字典和跳表中[⁷¹]。
- 如果成员已存在，更新其分数并调整跳表[⁷⁷]。
返回结果：
- 返回成功插入的成员数量[⁷¹]。

（二）删除成员（`ZREM`）

客户端发送命令：
```
ZREM key member [member ...]
```
服务器处理：
- 从字典中删除成员和分数的映射。
- 从跳表中删除对应的节点[⁷⁶]。
返回结果：
- 返回成功删除的成员数量[⁷⁶]。

（三）修改成员分数（`ZINCRBY`）

客户端发送命令：
```
ZINCRBY key increment member
```
服务器处理：
- 查找成员是否存在。
- 如果存在，更新其分数并调整跳表中的位置[⁷⁷]。
- 如果不存在，插入新成员并设置分数[⁷⁷]。
返回结果：
- 返回更新后的分数[⁷⁷]。

（四）查询成员（`ZRANGE`、`ZSCORE`等）

客户端发送命令：

ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
ZSCORE key member

服务器处理：
- 使用跳表快速定位成员并返回结果[⁷¹]。
- 如果查询分数，直接从字典中获取[⁷⁶]。
返回结果：
- 返回指定范围内的成员及其分数[⁷¹]。

持久化（磁盘IO读写）

（一）RDB持久化

RDB会将ZSet的字典和跳表数据序列化为二进制格式并写入RDB文件[⁷⁷]。
序列化流程：
1. 遍历ZSet的字典，序列化成员和分数。
2. 跳表不需要单独序列化[⁷⁷]。

（二）AOF持久化

AOF会将ZADD、ZREM、ZINCRBY等命令追加到AOF文件中[⁷⁷]。
AOF重写时，会根据当前ZSet的状态生成紧凑的命令序列[⁷⁷]。

性能

（一）时间复杂度

ZADD：O(log N)，跳表插入操作[⁷²]。
ZREM：O(log N)，跳表删除操作[⁷⁶]。
ZINCRBY：O(log N)，跳表更新操作[⁷⁷]。
ZRANGE：O(log N + M)，M为返回的成员数量[⁷²]。

（二）优化建议

避免对ZSet进行全量操作（如ZRANGE查询所有成员），可能导致性能瓶颈[⁷²]。
使用分页查询（如ZRANGE的start和stop参数）减少数据传输[⁷²]。

线程安全控制

Redis是单线程的，所有操作都是原子性的[⁷⁵]。然而，在高并发场景下，客户端需要确保操作的线程安全性：

（一）使用Lua脚本

Lua脚本在Redis中是原子性执行的，可以确保操作的线程安全性[⁷⁴]。例如：

-- 原子性地更新ZSet成员分数
local score = redis.call("ZSCORE", KEYS[1], ARGV[1])
if score then
    redis.call("ZINCRBY", KEYS[1], ARGV[2], ARGV[1])
    return score + tonumber(ARGV[2])
else
    return nil
end

（二）使用分布式锁

在分布式环境中，可以使用Redis的SETNX命令实现分布式锁[⁷⁴]。

故障处理机制

（一）大Key删除

同步删除：使用DEL命令直接删除大Key，可能会阻塞主线程[⁷⁵]。
异步删除：使用UNLINK命令异步删除大Key[⁷⁵]。

（二）内存不足

配置maxmemory策略，自动淘汰旧数据[⁷⁵]。
使用MEMORY PURGE命令释放未使用的内存[⁷⁵]。

（三）数据丢失

启用RDB和AOF持久化机制，确保数据在故障时能够恢复[⁷⁷]。

接口设计

以下是基于Redis ZSet的接口设计示例（以Java为例）[⁷³]：

（一）类图

（二）方法实现

public class RedisZSetExample {
    private Jedis jedis;

    public RedisZSetExample() {
        jedis = new Jedis("localhost");
    }

    public void addZSet(String key, String member, double score) {
        jedis.zadd(key, score, member);
    }

    public Set<String> getZSetMembers(String key) {
        return jedis.zrange(key, 0, -1);
    }

    public void removeZSetMember(String key, String member) {
        jedis.zrem(key, member);
    }

    public void close() {
        jedis.close();
    }
}

（三）使用示例

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        RedisZSetExample zset = new RedisZSetExample();
        zset.addZSet("myset", "apple", 1.0);
        zset.addZSet("myset", "banana", 2.0);

        System.out.println(zset.getZSetMembers("myset"));

        zset.removeZSetMember("myset", "apple");
        System.out.println(zset.getZSetMembers("myset"));

        zset.close();
    }
}

附录：set和zset有什么区别？

特性	Set（无序集合）	ZSet（有序集合）
存储方式	无序集合，成员唯一	有序集合，成员按分数排序
内部实现	哈希表（`hashtable`）或整数集合（`intset`）	哈希表（`hashtable`）+跳表（`skiplist`）
功能	添加、删除、查找、集合操作	添加、删除、更新分数、范围查询
时间复杂度	O(1)	O(log N)或O(log N + M)
使用场景	去重、集合操作	排行榜、时间序列、优先队列
数据限制	成员数量无硬性限制，成员唯一	成员数量无硬性限制，成员按分数排序
内存占用	较低	较高
性能	高效的成员操作	支持复杂排序，但可能更耗时

Redis的ZSet（有序集合）和Set（无序集合）是两种不同的数据结构，它们在功能、内部实现和使用场景上存在显著区别。以下是ZSet和Set的主要区别：

1. 数据结构与存储方式

Set（无序集合）

存储方式：
- Set是一个无序的字符串集合，每个成员是唯一的，不允许重复。
- 内部实现基于哈希表（hashtable），支持快速的成员查找、添加和删除操作。
编码方式：
- 当集合较小（默认小于512个成员）时，使用intset（整数集合）编码。
- 当集合较大或包含非整数成员时，使用hashtable编码。

ZSet（有序集合）

存储方式：
- ZSet是一个有序的字符串集合，每个成员具有一个与之关联的分数（score），成员通过分数排序。
- 内部实现同时使用两个数据结构：
  1. 哈希表（hashtable）：存储成员和分数的映射关系，支持快速查找。
  2. 跳表（skiplist）：存储成员的有序排列，支持快速范围查询。
编码方式：
- 当集合较小且成员分数为整数时，使用ziplist编码。
- 当集合较大或成员分数为浮点数时，使用skiplist编码。

2. 功能与操作

Set

功能：
- 存储无序的唯一成员集合。
- 支持成员的添加、删除、查找和集合操作（如交集、并集、差集）。
常用命令：
- SADD key member [member ...]：添加成员。
- SREM key member [member ...]：删除成员。
- SMEMBERS key：获取所有成员。
- SISMEMBER key member：检查成员是否存在。
- SINTER key1 [key2 ...]：计算交集。
- SUNION key1 [key2 ...]：计算并集。
- SDIFF key1 [key2 ...]：计算差集。

ZSet

功能：
- 存储有序的成员集合，成员通过分数排序。
- 支持成员的添加、删除、分数更新和范围查询。
常用命令：
- ZADD key score member [score member ...]：添加或更新成员及其分数。
- ZREM key member [member ...]：删除成员。
- ZSCORE key member：获取成员的分数。
- ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：按分数排序获取成员。
- ZINCRBY key increment member：增加成员的分数。
- ZCOUNT key min max：计算指定分数范围内的成员数量。
- ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]：按分数逆序获取成员。

3. 时间复杂度

Set

添加成员（SADD）：O(1)
删除成员（SREM）：O(1)
检查成员是否存在（SISMEMBER）：O(1)
获取所有成员（SMEMBERS）：O(N)，N为集合大小

ZSet

添加成员（ZADD）：O(log N)，N为集合大小
删除成员（ZREM）：O(log N)
更新成员分数（ZINCRBY）：O(log N)
获取成员范围（ZRANGE）：O(log N + M)，M为返回的成员数量
获取成员分数（ZSCORE）：O(1)

4. 使用场景

Set

适用于存储无序的唯一成员集合，例如：
- 用户好友列表。
- 标签集合。
- 系统权限集合。
- 去重场景（如网页爬虫中的URL去重）。

ZSet

适用于需要按分数排序的场景，例如：
- 排行榜（如游戏积分榜、商品销量榜）。
- 时间序列数据（如日志按时间排序）。
- 优先队列（如任务调度）。
- 滑动窗口限流（通过分数表示时间戳）。

6. 内存占用与性能

Set

内存占用相对较低，尤其是使用intset编码时。
适用于成员数量较少且不需要排序的场景。

ZSet

内存占用相对较高，因为同时维护了哈希表和跳表。
性能上，ZSet的排序操作（如ZRANGE）可能比Set更复杂，但支持更丰富的功能。

7. 示例对比

Set

# 添加成员
SADD myset "apple" "banana" "cherry"

# 获取所有成员
SMEMBERS myset
# 输出：["apple", "banana", "cherry"]

# 检查成员是否存在
SISMEMBER myset "apple"
# 输出：1

# 删除成员
SREM myset "banana"
# 输出：1

ZSet

# 添加成员并设置分数
ZADD myzset 1 "apple" 2 "banana" 3 "cherry"

# 获取所有成员（按分数排序）
ZRANGE myzset 0 -1 WITHSCORES
# 输出：["apple", "1", "banana", "2", "cherry", "3"]

# 获取成员分数
ZSCORE myzset "banana"
# 输出：2

# 更新成员分数
ZINCRBY myzset 1 "banana"
# 输出：3

# 删除成员
ZREM myzset "banana"
# 输出：1