redis支援的五種資料類型及其底層實現

Redis物件類型簡介

Redis是一種key/value型資料庫，其中，每個key和value都是使用對象表示的。比如，我們執行以下代碼： 其中的key是message，是一個包含了字串"message"的對象。而value是一個包含了"hello redis"的對象。

Redis共有五種對象的類型，分別是：

類型常量	對象的名稱
REDIS_STRING	字串對象
REDIS_LIST	列表對象
REDIS_HASH	雜湊對象
REDIS_SET	集合對象
REDIS_ZSET	有序集合對象

Redis中的一個對象的結構體表示如下：

/*
 * Redis 對象
 */
typedef struct redisObject {

    // 類型
    unsigned type:4;        

    // 不使用(對齊位)
    unsigned notused:2;

    // 編碼方式
    unsigned encoding:4;

    // LRU 時間（相對於 server.lruclock）
    unsigned lru:22;

    // 引用計數
    int refcount;

    // 指向對象的值
    void *ptr;

} robj;

type表示了該對象的物件類型，即上面五個中的一個。但為了提高儲存效率與程式執行效率，每種對象的底層資料結構實現都可能不止一種。encoding就表示了對象底層所使用的編碼。下面先介紹每種底層資料結構的實現，再介紹每種物件類型都用了什麼底層結構並分析他們之間的關係。

Redis對象底層資料結構

底層資料結構共有八種，如下表所示：

編碼常量	編碼所對應的底層資料結構
REDIS_ENCODING_INT	long 類型的整數
REDIS_ENCODING_EMBSTR	embstr 編碼的簡單動態字串
REDIS_ENCODING_RAW	簡單動態字串
REDIS_ENCODING_HT	字典
REDIS_ENCODING_LINKEDLIST	雙端鏈表
REDIS_ENCODING_ZIPLIST	壓縮列表
REDIS_ENCODING_INTSET	整數集合
REDIS_ENCODING_SKIPLIST	跳躍表和字典

字串對象

字串對象的編碼可以是int、raw或者embstr。

如果一個字串的內容可以轉換為long，那麼該字串就會被轉換成為long類型，對象的ptr就會指向該long，並且物件類型也用int類型表示。

普通的字串有兩種，embstr和raw。embstr應該是Redis 3.0新增的資料結構,在2.8中是沒有的。如果字串對象的長度小於39位元組，就用embstr對象。否則用傳統的raw對象。 embstr的好處有如下幾點： embstr的建立只需分配一次記憶體，而raw為兩次（一次為sds指派至，另一次為objet指派至，embstr省去了第一次）。 相對地，釋放記憶體的次數也由兩次變為一次。 embstr的objet和sds放在一起，更好地利用緩衝帶來的優勢。 需要注意的是，redis並未提供任何修改embstr的方式，即embstr是唯讀形式。對embstr的修改實際上是先轉換為raw再進行修改。

列表對象

列表對象的編碼可以是ziplist或者linkedlist。

ziplist是一種壓縮鏈表，它的好處是更能節省記憶體空間，因為它所儲存的內容都是在連續的記憶體地區當中的。當列表對象元素不大，每個元素也不大的時候，就採用ziplist儲存。但當資料量過大時就ziplist就不是那麼好用了。因為為了保證他儲存內容在記憶體中的連續性，插入的複雜度是O(N)，即每次插入都會重新進行realloc。如下圖所示，對象結構中ptr所指向的就是一個ziplist。整個ziplist只需要malloc一次，它們在記憶體中是一塊連續的地區。

linkedlist是一種雙向鏈表。它的結構比較簡單，節點中存放pre和next兩個指標，還有節點相關的資訊。當每增加一個node的時候，就需要重新malloc一塊記憶體。

雜湊對象

雜湊對象的底層實現可以是ziplist或者hashtable。

ziplist中的雜湊對象是按照key1,value1,key2,value2這樣的順序存放來儲存的。當對象數目不多且內容不大時，這種方式效率是很高的。

hashtable的是由dict這個結構來實現的 集合對象

集合對象的編碼可以是intset或者hashtable。

intset是一個整數集合，裡面存的為某種同一類型的整數，支援如下三種長度的整數： [cpp] view plain copy #define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t))   #define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t))   #define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))   intset是一個有序集合，尋找元素的複雜度為O(logN)，但插入時不一定為O(logN)，因為有可能涉及到升級操作。比如當集合裡全是int16_t型的整數，這時要插入一個int32_t，那麼為了維持集合中資料類型的一致，那麼所有的資料都會被轉換成int32_t類型，涉及到記憶體的重新分配，這時插入的複雜度就為O(N)了。是intset不支援降級操作。
有序集合對象

有序集合的編碼可能兩種，一種是ziplist，另一種是skiplist與dict的結合。

ziplist作為集合和作為雜湊對象是一樣的，member和score順序存放。按照score從小到大順序排列。它的結構不再複述。

skiplist是一種跳躍表，它實現了有序集合中的快速尋找，在大多數情況下它的速度都可以和平衡樹差不多。但它的實現比較簡單，可以作為平衡樹的替代品。它的結構比較特殊。下面分別是跳躍表skiplist和它內部的節點skiplistNode的結構體：

Redis的索引值可以使用五種資料類型：字串，散列表，列表，集合，有序集合

字串類型

字串是Redis中最基本的資料類型，它能夠儲存任何類型的字串，包含位元據。可以用於儲存郵箱，JSON化的對象，甚至是一張圖片，一個字串允許儲存的最大容量為512MB。字串是其他四種類型的基礎，與其他幾種類型的區別從本質上來說只是組織字串的方式不同而已。 基本命令 字串操作 SET 賦值，用法： SET key value GET 取值，用法： GET key INCR 遞增數字，僅僅對數字類型的鍵有用，相當於Java的i++運算，用法： INCR key INCRBY 增加指定的數字，僅僅對數字類型的鍵有用，相當於Java的i+=3，用法：INCRBY key increment，意思是key自增increment，increment可以為負數，表示減少。 DECR 遞減數字，僅僅對數字類型的鍵有用，相當於Java的i–，用法：DECR key DECRBY 減少指定的數字，僅僅對數字類型的鍵有用，相當於Java的i-=3，用法：DECRBY key decrement，意思是key自減decrement，decrement可以為正數，表示增加。 INCRBYFLOAT 增加指定浮點數，僅僅對數字類型的鍵有用，用法：INCRBYFLOAT key increment APPEND 向尾部追加值，相當於Java中的”hello”.append(“ world”)，用法：APPEND key value STRLEN 擷取字串長度，用法：STRLEN key MSET 同時設定多個key的值，用法：MSET key1 value1 [key2 value2 ...] MGET 同時擷取多個key的值，用法：MGET key1 [key2 ...] 位操作 GETBIT 擷取一個索引值的二進位位的指定位置的值(0/1)，用法：GETBIT key offset SETBIT 設定一個索引值的二進位位的指定位置的值(0/1)，用法：SETBIT key offset value BITCOUNT 擷取一個索引值的一個範圍內的二進位表示的1的個數，用法：BITCOUNT key [start end] BITOP 該命令可以對多個字串類型鍵進行位元運算，並將結果儲存到指定的鍵中，BITOP支援的運算包含：OR,AND,XOR,NOT，用法：BITOP OP desKey key1 key2 BITPOS 擷取指定鍵的第一個位值為0或者1的位置，用法：BITPOS key 0/1 [start， end]

散列類型

散列類型相當於Java中的HashMap，他的值是一個字典，儲存很多key，value對，每對key，value的值個鍵都是字串類型，換句話說，散列類型不能嵌套其他資料類型。一個散列類型鍵最多可以包含2的32次方-1個欄位。 基本命令 HSET 賦值，用法：HSET key field value HMSET 一次賦值多個欄位，用法：HMSET key field1 value1 [field2 values] HGET 取值，用法：HSET key field HMGET 一次取多個欄位的值，用法：HMSET key field1 [field2] HGETALL 一次取所有欄位的值，用法：HGETALL key HEXISTS 判斷欄位是否存在，用法：HEXISTS key field HSETNX 當欄位不存在時賦值，用法：HSETNX key field value HINCRBY 增加數字，僅對數字類型的值有用，用法：HINCRBY key field increment HDEL 刪除欄位，用法：HDEL key field HKEYS 擷取所有欄位名，用法：HKEYS key HVALS 擷取所有欄位值，用法：HVALS key HLEN 擷取欄位數量，用法：HLEN key 清單類型

清單類型(list)用於儲存一個有序的字串列表，常用的操作是向隊列兩端添加元素或者獲得列表的某一片段。列表內部使用的是雙向鏈表（double linked list）實現的，所以向列表兩端添加元素的時間複雜度是O(1),擷取越接近列表兩端的元素的速度越快。但是缺點是使用列表通過索引訪問元素的效率太低（需要從端點開始遍曆元素）。所以列表的使用情境一般如：朋友圈新鮮事，只關心最新的一些內容。藉助清單類型，Redis還可以作為訊息佇列使用。

基本命令 LPUSH 向列表左端添加元素，用法：LPUSH key value RPUSH 向列表右端添加元素，用法：RPUSH key value LPOP 從列表左端彈出元素，用法：LPOP key RPOP 從列表右端彈出元素，用法：RPOP key LLEN 擷取列表中元素個數，用法：LLEN key LRANGE 擷取列表中某一片段的元素，用法：LRANGE key start stop，index從0開始，-1表示最後一個元素 LREM 刪除列表中指定的值，用法：LREM key count value，刪除列表中前count個值為value的元素，當count>0時從左邊開始數，count<0時從右邊開始數，count=0時會刪除所有值為value的元素 LINDEX 擷取指定索引的元素值，用法：LINDEX key index LSET 設定指定索引的元素值，用法：LSET key index value LTRIM 只保留列表指定片段，用法：LTRIM key start stop，包含start和stop LINSERT 像列表中插入元素，用法：LINSERT key BEFORE|AFTER privot value，從左邊開始尋找值為privot的第一個元素，然後根據第二個參數是BEFORE還是AFTER決定在該元素的前面還是後面插入value RPOPLPUSH 將元素從一個列錶轉義到另一個列表，用法：RPOPLPUSH source destination 集合類型

集合在概念在高中課本就學過，集合中每個元素都是不同的，集合中的元素個數最多為2的32次方-1個，集合中的元素師沒有順序的。 基本命令 SADD 添加元素，用法：SADD key value1 [value2 value3 ...] SREM 刪除元素，用法：SREM key value2 [value2 value3 ...] SMEMBERS 獲得集合中所有元素，用法：SMEMBERS key SISMEMBER 判斷元素是否在集合中，用法：SISMEMBER key value SDIFF 對集合做差集運算，用法：SDIFF key1 key2 [key3 ...]，先計算key1和key2的差集，然後再用結果與key3做差集 SINTER 對集合做交集運算，用法：SINTER key1 key2 [key3 ...] SUNION 對集合做並集運算，用法：SUNION key1 key2 [key3 ...] SCARD 獲得集合中元素的個數，用法：SCARD key SDIFFSTORE 對集合做差集並將結果儲存，用法：SDIFFSTORE destination key1 key2 [key3 ...] SINTERSTORE 對集合做交集運算並將結果儲存，用法：SINTERSTORE destination key1 key2 [key3 ...] SUNIONSTORE 對集合做並集運算並將結果儲存，用法：SUNIONSTORE destination key1 key2 [key3 ...] SRANDMEMBER 隨機擷取集合中的元素，用法：SRANDMEMBER key [count]，當count>0時，會隨機中集合中擷取count個不重複的元素，當count<0時，隨機中集合中擷取|count|和可能重複的元素。 SPOP 從集合中隨機彈出一個元素，用法：SPOP key 有序集合類型

有序集合類型與集合類型的區別就是他是有序的。有序集合是在集合的基礎上為每一個元素關聯一個分數，這就讓有序集合不僅支援插入，刪除，判斷元素是否存在等操作外，還支援擷取分數最高/最低的前N個元素。有序集合中的每個元素是不同的，但是分數卻可以相同。有序集合使用散列表和跳躍表實現，即使讀取位於中間部分的資料也很快，時間複雜度為O(log(N))，有序集合比列表更費記憶體。 基本命令 ZADD 添加元素，用法：ZADD key score1 value1 [score2 value2 score3 value3 ...] ZSCORE 擷取元素的分數，用法：ZSCORE key value ZRANGE 擷取排名在某個範圍的元素，用法：ZRANGE key start stop [WITHSCORE]，按照元素從小到大的順序排序，從0開始編號，包含start和stop對應的元素，WITHSCORE選項表示是否返回元素分數 ZREVRANGE 擷取排名在某個範圍的元素，用法：ZREVRANGE key start stop [WITHSCORE]，和上一個命令用法一樣，只是這個倒序排序的。 ZRANGEBYSCORE 擷取指定分數範圍內的元素，用法：ZRANGEBYSCORE key min max，包含min和max，(min表示不包含min，(max表示不包含max，+inf表示無窮大 ZINCRBY 增加某個元素的分數，用法：ZINCRBY key increment value ZCARD 擷取集合中元素的個數，用法：ZCARD key ZCOUNT 擷取指定分數範圍內的元素個數，用法：ZCOUNT key min max，min和max的用法和5中的一樣 ZREM 刪除一個或多個元素，用法：ZREM key value1 [value2 ...] ZREMRANGEBYRANK 按照排名範圍刪除元素，用法：ZREMRANGEBYRANK key start stop ZREMRANGEBYSCORE 按照分數範圍刪除元素，用法：ZREMRANGEBYSCORE key min max，min和max的用法和4中的一樣 ZRANK 擷取正序排序的元素的排名，用法：ZRANK key value ZREVRANK 擷取逆序排序的元素的排名，用法：ZREVRANK key value ZINTERSTORE 計算有序集合的交集並儲存結果，用法：ZINTERSTORE destination numbers key1 key2 [key3 key4 ...] WEIGHTS weight1 weight2 [weight3 weight4 ...] AGGREGATE SUM | MIN | MAX，numbers表示參加運算的集合個數，weight表示權重，aggregate表示結果取值 ZUNIONSTORE 計算有序幾個的並集並儲存結果，用法和14一樣，不再贅述。