Redis：String 类型 内部实现、编码、命令及应用场景
String 类型是一种键值对key-value的数据结构，其中键是唯一的，值是字符串。它可以存储任何类型的数据，如文本、数字、二进制数据等。String 类型的值最大可以存储 512MB 的数据。
内部实现
Redis 没有直接使用 C 语言的字符串，而是自己实现了简单动态字符串（SDS）。SDS 是 Redis 中 String 类型的基础数据结构，它有以下特点：
- 二进制安全：C 语言字符串以
\0作为字符串结束的标识，这使得它不能保存二进制数据。而 SDS 用一个len属性来记录字符串的长度，所以可以保存任意二进制数据。 - 获取字符串长度的时间复杂度为 O (1)：C 语言字符串获取长度需要遍历整个字符串，时间复杂度为 O (n)。SDS 通过
len属性直接获取长度，时间复杂度为 O (1)。 - 避免缓冲区溢出：SDS 在修改字符串时，会先检查空间是否足够，如果不够会自动扩展空间。
简化的 SDS 结构示例：
struct sdshdr {
int len; // 记录 buf 数组中已使用字节的数量，即字符串长度
int free; // 记录 buf 数组中未使用字节的数量
char buf[]; // 字节数组，用于保存字符串
};
| 特性 | SDS (Redis 动态字符串) | C语言原生字符串 |
|---|---|---|
| 结构 | 自定义结构，包含长度、分配空间等元信息 | 以 \0 结尾的字符数组 |
| 长度记录 | 独立记录字符串长度，获取长度为 O(1) | 通过遍历计算字符串长度，获取长度为O(n) |
| 二进制安全 | 支持任意二进制数据，包括 \0 | 不支持，遇到 \0 时认为字符串结束 |
| 动态扩展 | 自动扩展或缩减内存，减少内存分配次数 | 无动态扩展能力，需手动管理内存 |
| 内存分配策略 | 使用预分配策略，预留额外空间以减少扩展时的内存重新分配次数 | 每次重新分配内存需要拷贝数据 |
| 内存碎片 | 减少碎片，扩展时预留空间，缩减时可以主动释放多余内存 | 手动分配内存，易造成碎片 |
| API安全性 | 提供丰富且安全的操作接口 (避免越界、溢出) | 使用不当易越界或内存溢出 |
| 多种数据存储 | 支持存储普通字符串、二进制数据或其他自定义结构 | 仅支持以 \0 结尾的字符序列 |
| 内存浪费 | 可能浪费少量预分配的内存 | 没有预分配，可能节省内存 |
内部编码
不同的内部编码对 Redis 操作的性能有着显著影响。内部编码的选择直接决定了在进行读写操作、修改操作时的效率。
int编码：SDS 里的buf数组存储的是整数的二进制表示，而非字符形式。这一编码形式不仅减少了内存开销，还让操作性能得到提升。像INCR、DECR这类数值操作，直接对整数进行计算，无需类型转换，时间复杂度为 O (1)，高效完成操作。
embstr编码：将 RedisObject 和 SDS 结构连续存于同一块内存中，是内部实现针对短字符串存储的优化方式。由于内存的连续性，在读取和写入短字符串时，只需进行一次内存分配和释放操作，减少了系统调用的开销，提高了操作性能。
raw编码：RedisObject 和 SDS 结构分开存储，能处理任意长度的字符串，满足了存储长字符串的需求。不过，这种编码的内存结构相对复杂，操作时可能涉及更多的内存访问和数据拷贝，所以性能差一些。
常用命令
添加
SET
set key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]
- 将键
key的值设置为value。若键已存在，其值会被新值覆盖；若不存在，则创建新键值对。 - 参数：
EX seconds：设置键的过期时间，单位为秒。PX milliseconds：设置键的过期时间，单位为毫秒。NX：仅在键不存在时进行设置。XX：仅在键已存在时进行更新。
MSET
mset key value [key value ...]
- 一次性设置多个键值对。
查找
GET
get key
- 获取键
key对应value的值。若键不存在，返回nil。
MGET
mget key [key ...]
- 一次性获取多个键的值。若某个键不存在，对应位置返回
nil。
删除
DEL
del key [key ...]
- 删除一个或多个指定的键。
修改
APPEND
append key value
- 将
value追加到键key对应字符串的末尾。若键不存在，会先创建该键并将其值设置为value。
GETRANGE
getrange key start end
- 返回键
key对应字符串中从start到end位置的子字符串。索引从 0 开始，支持负数索引，-1 表示最后一个字符。
SETRANGE
setrange key offset value
- 从键
key对应字符串的offset位置开始，用value覆盖原字符串的相应部分。若offset超出原字符串长度，会在中间填充空字符\x00。
数字操作
INCR
incr key
- 将键
key对应的值（需为整数）递增 1。若键不存在，会先将其值初始化为 0，再进行递增操作。
INCRBY
incrby key increment
- 将键
key对应的值（需为整数）增加指定的increment值。若键不存在，会先将其值初始化为 0，再进行增加操作。
DECR
decr key
- 将键
key对应的值（需为整数）递减 1。若键不存在，会先将其值初始化为 0，再进行递减操作。
DECRBY
decrby key increment
- 将键
key对应的值（需为整数）减少指定的decrement值。若键不存在，会先将其值初始化为 0，再进行减少操作。
INCRBYFLOAT
incrbyfloat key increment
- 将键
key对应的值（可以是整数或浮点数）增加指定的increment值。若键不存在，会先将其值初始化为 0，再进行增加操作。
应用场景
缓存数据：把数据库查询结果中的对象（如用户信息、商品信息等）序列化为字符串后存储在 Redis 中。以对象的唯一标识（如用户 ID、商品 ID）作为键，序列化后的字符串作为值。这样可以避免频繁查询数据库，提升系统性能。
计数器：例如记录用户的登录次数、文章的阅读量、点赞数等。以用户 ID 或文章 ID 作为键，使用INCR命令每次用户登录或文章被阅读、点赞时对相应的键进行加 1 操作。
共享会话（Session）：Redis 常被用于存储和管理会话数据，以实现多个服务器之间的会话共享，提高系统的可扩展性和可靠性。
，提升系统性能。
计数器：例如记录用户的登录次数、文章的阅读量、点赞数等。以用户 ID 或文章 ID 作为键，使用INCR命令每次用户登录或文章被阅读、点赞时对相应的键进行加 1 操作。
共享会话（Session）：Redis 常被用于存储和管理会话数据，以实现多个服务器之间的会话共享，提高系统的可扩展性和可靠性。
分布式锁：在分布式系统中，多个节点可能同时访问共享资源。可以利用 Redis 的SET命令结合NX参数来实现分布式锁。例如，当一个节点需要访问某个资源时，尝试使用SET lock_key "lock_value" NX命令来获取锁，如果返回成功，表示获取到锁，可以执行相应的操作；如果返回失败，表示锁已被其他节点获取，需要等待或进行其他处理。操作完成后，使用DEL命令释放锁。