Redis：常用数据类型及其应用场景

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        Redis中常见的数据类型有五种：String（字符串），Hash（哈希），List（列表），Set（集合）、Zset（有序集合）。下面我来分别介绍一下他们的实现原理和应用场景。

1、String类型

        string类型是我们最常使用的一个结构，当然这个key-value结构中value不光可以存储字符串，还可以是数字。其底层实现是int和SDS（简单动态字符串）。int大家熟，那我来解释一下SDS：        

  • SDS 不仅可以保存文本数据，还可以保存二进制数据。因为 SDS 使用 len 属性的值而不是空字符来判断字符串是否结束，并且 SDS 的所有 API 都会以处理二进制的方式来处理 SDS 存放在 buf[] 数组里的数据。所以 SDS 不光能存放文本数据，而且能保存图片、音频、视频、压缩文件这样的二进制数据。
  • SDS 获取字符串长度的时间复杂度是 O(1)。因为 C 语言的字符串并不记录自身长度，所以获取长度的复杂度为 O(n)；而 SDS 结构里用 len 属性记录了字符串长度，所以复杂度为 O(1)。
  • Redis 的 SDS API 是安全的，拼接字符串不会造成缓冲区溢出。因为 SDS 在拼接字符串之前会检查 SDS 空间是否满足要求，如果空间不够会自动扩容，所以不会导致缓冲区溢出的问题。

String类型的应用场景：  

  • 常规计数：因为 Redis 处理命令是单线程，所以执行命令的过程是原子的。因此 String 数据类型适合计数场景，比如计算访问次数、点赞、转发、库存数量等等。

  • 分布式锁：SET 命令有个 NX 参数可以实现key不存在才插入，可以用它来实现分布式锁：

    如果 key 不存在，则显示插入成功，可以用来表示加锁成功；如果 key 存在，则会显示插入失败，可以用来表示加锁失败。

lock_key 就是 key 键；unique_value 是客户端生成的唯一的标识；NX 代表只在 lock_key 不存在时，才对 lock_key 进行设置操作；PX 10000 表示设置 lock_key 的过期时间为 10s，这是为了避免客户端发生异常而无法释放锁。

解锁的过程：就是将 lock_key 键删除，但不能乱删，要保证执行操作的客户端就是加锁的客户端。所以，解锁的时候，我们要先判断锁的 unique_value 是否为加锁客户端，是的话，才将 lock_key 键删除。

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2、Hash类型

        Hash是一个键值对的集合，其中value内的形式是[<field1,value1>,<field2,value2>...]，所以可以看出hash特别适合储存对象，其内value存储各各属性及其对应的值。

Hash类型的底层是由压缩列表或哈希表来实现的： 

  • 如果哈希类型元素个数小于 512 个（默认值，可由 hash-max-ziplist-entries 配置），所有值小于 64 字节（默认值，可由 hash-max-ziplist-value 配置）的话，Redis 会使用压缩列表作为 Hash 类型的底层数据结构；
  • 如果哈希类型元素不满足上面条件，Redis 会使用哈希表作为 Hash 类型的 底层数据结构。
Hash类型应用场景：
  • 存储对象：Hash 类型的 （key，field， value） 的结构与对象的（对象id， 属性， 值）的结构相似，也可以用来存储对象。

  • 购物车：以用户 id 为 key，商品 id 为 field，商品数量为 value，恰好构成了购物车的3个要素

    • 添加商品：HSET cart:{用户id} {商品id} 1
    • 添加数量：HINCRBY cart:{用户id} {商品id} 1
    • 商品总数：HLEN cart:{用户id}
    • 删除商品：HDEL cart:{用户id} {商品id}
    • 获取购物车所有商品：HGETALL cart:{用户id}
    • 当前仅仅是将商品ID存储到了Redis 中，在回显商品具体信息的时候，还需要拿着商品 id 查询一次数据库，获取完整的商品的信息。

3、List类型

        List列表是简单的字符串列表，按照插入顺序排序，可以从头部或尾部向List列表中添加元素。列表底层是由双向链表或者是压缩列表实现。

  • 如果列表的元素个数小于 512 个（默认值，可由 list-max-ziplist-entries 配置），列表每个元素的值都小于 64 字节（默认值，可由 list-max-ziplist-value 配置），Redis 会使用压缩列表作为 List 类型的底层数据结构；
  • 如果列表的元素不满足上面的条件，Redis 会使用双向链表作为 List 类型的底层数据结构；

但是在 Redis 3.2 版本之后，List 数据类型底层数据结构就只由 quicklist 实现了，替代了双向链表和压缩列表。quicklist 实际上是zipList 和linkedList 的混合体，它将linkedList 按段切分，每一段使用zipList 来紧凑存储，多个ziplist 之间使用双向指针串接起来。

List类型的应用场景：
  • 消息队列：消息队列在存取消息时，必须要满足三个需求，分别是消息保序、处理重复的消息和保证消息可靠性。

    • 消息保序：使用 LPUSH + RPOP；
    • 阻塞读取：使用 BRPOP；
    • 重复消息处理：生产者自行实现全局唯一 ID；
    • 消息的可靠性：使用 BRPOPLPUSH
    • 但是List不支持消费组的实现（多个消费者消费同一条数据）。，一旦这条消息被消费就会移出List中。无法再次消费

4、Set类型     

        Set类型是一个无序并唯一的集合，它的存储顺序并不按照插入的先后顺序进行存储。概念和数学中的集合基本类似，可以交集，并集，差集等等，所以 Set 类型除了支持集合内的增删改查，同时还支持多个集合取交集、并集、差集。

Set 类型的底层数据结构是由哈希表或整数集合实现的：

  • 如果集合中的元素都是整数且元素个数小于 512 （默认值，set-maxintset-entries配置）个，Redis 会使用整数集合作为 Set 类型的底层数据结构；
  • 如果集合中的元素不满足上面条件，则 Redis 使用哈希表作为 Set 类型的底层数据结构。
# 交集运算
SINTER key [key ...]
# 将交集结果存入新集合destination中
SINTERSTORE destination key [key ...]

# 并集运算
SUNION key [key ...]
# 将并集结果存入新集合destination中
SUNIONSTORE destination key [key ...]

# 差集运算
SDIFF key [key ...]
# 将差集结果存入新集合destination中
SDIFFSTORE destination key [key ...]
Set类型的应用场景： 

因此 Set 类型比较适合用来数据去重和保障数据的唯一性，还可以用来统计多个集合的交集、错集和并集等，当我们存储的数据是无序并且需要去重的情况下，比较适合使用集合类型进行存储。

  • 点赞：Set 类型可以保证一个用户只能点一个赞，这里举例子一个场景，key 是文章id，value 是用户id。

  • 共同关注：Set 类型支持交集运算，所以可以用来计算共同关注的好友、公众号等。

  • 抽奖活动：存储某活动中中奖的用户名 ，Set 类型因为有去重功能，可以保证同一个用户不会中奖两次。

5、ZSet类型

        Zset 类型（有序集合类型）相比于 Set 类型多了一个排序属性 score（分值），对于有序集合 ZSet 来说，每个存储元素相当于有两个值组成的，一个是有序集合的元素值，一个是排序值。有序集合保留了集合不能有重复成员的特性（分值可以重复），但不同的是，有序集合中的元素可以排序。

Zset 类型的底层数据结构是由压缩列表或跳表实现的：

  • 如果有序集合的元素个数小于 128 个，并且每个元素的值小于 64 字节时，Redis 会使用压缩列表作为 Zset 类型的底层数据结构；
  • 如果有序集合的元素不满足上面的条件，Redis 会使用跳表作为 Zset 类型的底层数据结构；

在 Redis 7.0 中，压缩列表数据结构已经废弃了，交由 listpack 数据结构来实现了。

相比于 Set 类型，ZSet 类型没有支持差集运算。

# 往有序集合key中加入带分值元素
ZADD key score member [[score member]...]   
# 往有序集合key中删除元素
ZREM key member [member...]                 
# 返回有序集合key中元素member的分值
ZSCORE key member
# 返回有序集合key中元素个数
ZCARD key 

# 为有序集合key中元素member的分值加上increment
ZINCRBY key increment member 

# 正序获取有序集合key从start下标到stop下标的元素
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
# 倒序获取有序集合key从start下标到stop下标的元素
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]

# 返回有序集合中指定分数区间内的成员，分数由低到高排序。
ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]

# 返回指定成员区间内的成员，按字典正序排列, 分数必须相同。
ZRANGEBYLEX key min max [LIMIT offset count]
# 返回指定成员区间内的成员，按字典倒序排列, 分数必须相同
ZREVRANGEBYLEX key max min [LIMIT offset count]
Zset类型的应用场景：

  • 排行榜：通过ZSet具有的那些API可以很轻易的实现排行榜功能。

  • 延时队列：zset 会按 score 进行排序，如果 score 代表想要执行时间的时间戳。在某个时间将它插入 zset 集合中，它变会按照时间戳大小进行排序，也就是对执行时间前后进行排序。起一个死循环线程不断地进行取第一个 key 值，如果当前时间戳大于等于该 key 值的 score 就将它取出来进行消费删除，可以达到延时执行的目的。

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THE END
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