Redis数据结构及对应使用场景,看一次就整明白得了

BlumeZona 发布于3月前

引言

也当过面试官,面试过不少应聘者,因为是我自己招人自己用,所以我不会看应聘者造火箭的技术有多牛比,只看拧螺丝的手艺瓷不瓷实。毕竟以后是一个整体,拖了大家后腿团队都很难受。面试的题目一般也不会太难,就像问 Redis ,我只是想确认他真正用过就够了。 Redis 5种基础数据结构和简单操作要知道,最基本的要求,如果这个时候他会说出每种数据结构大致的应用场景,那么这一定是加分的,起码要比那些只会说出几种数据结构后,在那干瞪眼等我问下一个问题的强很多,千万别冷场。

Redis基础数据结构有哪些?

一、String(字符串)

在任何一种编程语言里,字符串 String 都是最基础的数据结构, 那你有想过 Redis 中存储一个字符串都进行了哪些操作嘛?

在 Redis 中 String 是可以修改的,称为 动态字符串 ( Simple Dynamic String 简称 SDS )( 快拿小本本记名词,要考的 ),说是字符串但它的内部结构更像是一个 ArrayList ,内部维护着一个字节数组,并且在其内部预分配了一定的空间,以减少内存的频繁分配。

Redis 的内存分配机制是这样:

  • 当字符串的长度小于 1MB时,每次扩容都是加倍现有的空间。

  • 如果字符串长度超过 1MB时,每次扩容时只会扩展 1MB 的空间。

这样既保证了内存空间够用,还不至于造成内存的浪费, 字符串最大长度为 512MB .

Redis数据结构及对应使用场景,看一次就整明白得了

image.png

上图就是字符串的基本结构,其中 content 里面保存的是字符串内容, 0x\0 作为结束字符不会被计算 len 中。

分析一下字符串的数据结构

struct SDS{
  T capacity;       //数组容量
  T len;            //实际长度
  byte flages;  //标志位,低三位表示类型
  byte[] content;   //数组内容
}

capacity 和 len 两个属性都是泛型,为什么不直接用 int类型 ?因为 Redis 内部有很多优化方案,为更合理的使用内存,不同长度的字符串采用不同的数据类型表示,且在创建字符串的时候 len 会和 capacity 一样大,不产生冗余的空间,所以 String 值可以是字符串、数字(整数、浮点数) 或者 二进制。

1、应用场景:

存储key-value键值对,这个比较简单不细说了

2、字符串(String)常用的命令:

set   [key]  [value]   给指定key设置值(set 可覆盖老的值)

get  [key]   获取指定key 的值

del  [key]   删除指定key

exists  [key]  判断是否存在指定key

mset  [key1]  [value1]  [key2]  [value2] ...... 批量存键值对

mget  [key1]  [key2] ......   批量取key

expire [key]  [time]    给指定key 设置过期时间  单位秒

setex    [key]  [time]  [value]  等价于 set + expire 命令组合

setnx  [key]  [value]   如果key不存在则set 创建,否则返回0

incr   [key]           如果value为整数 可用 incr命令每次自增1

incrby  [key] [number]  使用incrby命令对整数值 进行增加 number

二、list(列表)

Redis 中的 list 和 Java 中的 LinkedList 很像,底层都是一种链表结构, list 的插入和删除操作非常快,时间复杂度为 0(1),不像数组结构插入、删除操作需要移动数据。

像归像,但是 redis 中的 list 底层可不是一个双向链表那么简单。

当数据量较少的时候它的底层存储结构为一块连续内存,称之为 ziplist(压缩列表) ,它将所有的元素紧挨着一起存储,分配的是一块连续的内存;当数据量较多的时候将会变成 quicklist(快速链表) 结构。

可单纯的链表也是有缺陷的,链表的前后指针 prev 和 next 会占用较多的内存,会比较浪费空间,而且会加重内存的碎片化。在redis 3.2之后就都改用 ziplist+链表 的混合结构,称之为 quicklist(快速链表) 。

下面具体介绍下两种链表

ziplist(压缩列表)

先看一下 ziplist 的数据结构,

struct ziplist<T>{
    int32 zlbytes;            //压缩列表占用字节数
    int32 zltail_offset;    //最后一个元素距离起始位置的偏移量,用于快速定位到最后一个节点
    int16 zllength;            //元素个数
    T[] entries;            //元素内容
    int8 zlend;                //结束位 0xFF
}

int32 zlbytes : 压缩列表占用字节数 int32 zltail_offset : 最后一个元素距离起始位置的偏移量,用于快速定位到最后一个节点 int16 zllength :元素个数 T[] entries :元素内容 int8 zlend :结束位 0xFF

压缩列表为了支持双向遍历,所以才会有 ztail_offset 这个字段,用来快速定位到最后一 个元素,然后倒着遍历

Redis数据结构及对应使用场景,看一次就整明白得了

image.png

entry 的数据结构:

struct entry{
    int<var> prevlen;            //前一个 entry 的长度
    int<var> encoding;            //元素类型编码
    optional byte[] content;    //元素内容
}

entry 它的 prevlen 字段表示前一个 entry 的字节长度,当压缩列表倒着遍历时,需要通过这 个字段来快速定位到下一个元素的位置。

1、应用场景:

由于list它是一个按照插入顺序排序的列表,所以应用场景相对还较多的,例如:

  • 消息队列: lpop 和 rpush (或者反过来, lpush 和 rpop )能实现队列的功能

  • 朋友圈的点赞列表、评论列表、排行榜: lpush 命令和 lrange 命令能实现最新列表的功能,每次通过 lpush 命令往列表里插入新的元素,然后通过 lrange 命令读取最新的元素列表。

2、list操作的常用命名:

rpush  [key] [value1] [value2] ......    链表右侧插入

rpop    [key]  移除右侧列表头元素,并返回该元素

lpop   [key]    移除左侧列表头元素,并返回该元素

llen  [key]     返回该列表的元素个数

lrem [key] [count] [value]  删除列表中与value相等的元素,count是删除的个数。 count>0 表示从左侧开始查找,删除count个元素,count<0 表示从右侧开始查找,删除count个相同元素,count=0 表示删除全部相同的元素

(PS:   index 代表元素下标,index 可以为负数, index= 表示倒数第一个元素,同理 index=-2 表示倒数第二 个元素。)

lindex [key] [index]  获取list指定下标的元素 (需要遍历,时间复杂度为O(n))

lrange [key]  [start_index] [end_index]   获取list 区间内的所有元素 (时间复杂度为 O(n))

ltrim  [key]  [start_index] [end_index]   保留区间内的元素,其他元素删除(时间复杂度为 O(n))

三、hash (字典)

Redis 中的 Hash 和 Java的 HashMap 更加相似,都是 数组+链表 的结构,当发生 hash 碰撞时将会把元素追加到链表上,值得注意的是在 Redis 的 Hash 中 value 只能是字符串.

hset books java "Effective java" (integer) 1
hset books golang "concurrency in go" (integer) 1
hget books java "Effective java"
hset user age 17 (integer) 1
hincrby user age 1  #单个 key 可以进行计数 和 incr 命令基本一致 (integer) 18

Hash 和 String 都可以用来存储用户信息 ,但不同的是 Hash 可以对用户信息的每个字段单独存储; String 存的是用户全部信息经过序列化后的字符串,如果想要修改某个用户字段必须将用户信息字符串全部查询出来,解析成相应的用户信息对象,修改完后在序列化成字符串存入。而 hash可以只对某个字段修改,从而节约网络流量,不过hash内存占用要大于 String ,这是 hash 的缺点。

1、应用场景:

  • 购物车: hset [key] [field] [value] 命令, 可以实现以 用户Id , 商品Id 为 field ,商品数量为 value ,恰好构成了购物车的3个要素。
  • 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。

2、hash常用的操作命令:

hset  [key]  [field] [value]    新建字段信息

hget  [key]  [field]    获取字段信息

hdel [key] [field]  删除字段

hlen  [key]   保存的字段个数

hgetall  [key]  获取指定key 字典里的所有字段和值 (字段信息过多,会导致慢查询 慎用:亲身经历 曾经用过这个这个指令导致线上服务故障)

hmset  [key]  [field1] [value1] [field2] [value2] ......   批量创建

hincr  [key] [field]   对字段值自增

hincrby [key] [field] [number] 对字段值增加number

四、set(集合)

Redis 中的 set 和 Java 中的 HashSet 有些类似,它内部的键值对是无序的、唯一 的。它的内部实现相当于一个特殊的字典,字典中所有的value都是一个值 NULL。当集合中最后一个元素被移除之后,数据结构被自动删除,内存被回收。

1、应用场景:

  • 好友、关注、粉丝、感兴趣的人集合:
    sinter
    sismember
    scard
    smove
  • 首页展示随机:美团首页有很多推荐商家,但是并不能全部展示,set类型适合存放所有需要展示的内容,而 srandmember 命令则可以从中随机获取几个。
  • 存储某活动中中奖的用户ID ,因为有去重功能,可以保证同一个用户不会中奖两次。

2、set的常用命令:

sadd  [key]  [value]  向指定key的set中添加元素

smembers [key]    获取指定key 集合中的所有元素

sismember [key] [value]   判断集合中是否存在某个value

scard [key]    获取集合的长度

spop  [key]   弹出一个元素

srem [key] [value]  删除指定元素

五、zset(有序集合)

zset 也叫 SortedSet 一方面它是个 set ,保证了内部 value 的唯一性,另方面它可以给每个 value 赋予一个 score ,代表这个value的排序权重。它的内部实现用的是一种叫作“ 跳跃列表 ”的数据结构。

1、应用场景:

zset 可以用做排行榜,但是和 list 不同的是 zset 它能够实现动态的排序,例如: 可以用来存储粉丝列表,value 值是粉丝的用户 ID,score 是关注时间,我们可以对粉丝列表按关注时间进行排序。

zset 还可以用来存储学生的成绩, value 值是学生的 ID, score 是他的考试成绩。 我们对成绩按分数进行排序就可以得到他的名次。

2、zset有序集合的常用操作命令:

zadd [key] [score] [value] 向指定key的集合中增加元素

zrange [key] [start_index] [end_index] 获取下标范围内的元素列表,按score 排序输出

zrevrange [key] [start_index] [end_index]  获取范围内的元素列表 ,按score排序 逆序输出

zcard [key]  获取集合列表的元素个数

zrank [key] [value]  获取元素再集合中的排名

zrangebyscore [key] [score1] [score2]  输出score范围内的元素列表

zrem [key] [value]  删除元素

zscore [key] [value] 获取元素的score

总结

本文很多概念都一带而过了,只是给大家粗略的讲述一下Redis五种基础数据结构和应用场景,旨在给小伙伴们一个面试备题的方向

作者:程序员内点事

原文链接: https://juejin.im/post/5e7ae9635188255dd461f066

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