Redis 数据结构详解

Redis 数据结构详解

1. 字符串（String）

特点

• 最基本的数据类型，可存储 文本 、 二进制数据 （如图片）或 数值 。
• 最大容量 ：512MB。

底层实现

• 动态字符串（SDS, Simple Dynamic String） ：
  • 预分配冗余空间（减少内存频繁分配）。
  • 二进制安全（可存储任意数据，包括 \0 ）。

常用命令

SET key value          # 设置值
GET key                # 获取值
INCR key               # 数值+1
APPEND key "new"       # 追加字符串
STRLEN key             # 获取长度

应用场景

• 缓存用户会话（Session）、计数器（如文章阅读量）、分布式锁。

2. 列表（List）

特点

• 有序 的元素集合，支持双向操作（头尾插入/删除）。
• 元素可重复。

底层实现

• 快速列表（QuickList，Redis 3.2+） ：
  • 由多个 压缩列表（ZipList） 节点组成的双向链表。
  • 平衡内存效率和操作速度。

常用命令

LPUSH key value1       # 头部插入
RPOP key               # 尾部删除
LRANGE key 0 -1        # 获取所有元素
LINDEX key 0           # 获取第一个元素
LLEN key               # 获取长度

应用场景

• 消息队列（生产者-消费者模型）、最新消息排行（如微博时间线）。

3. 哈希（Hash）

特点

• 键值对集合，适合存储 对象 （如用户信息）。
• 可单独操作字段，无需读取整个哈希。

底层实现

• ZipList（元素少时） 或 HashTable（元素多时） ：
  • 默认使用 ZipList （内存紧凑），当元素数量或大小超过阈值时转为 HashTable 。

常用命令

HSET user:1 name "John"  # 设置字段
HGET user:1 name         # 获取字段
HGETALL user:1           # 获取所有字段
HDEL user:1 age          # 删除字段

应用场景

• 存储对象（用户信息、商品详情）、聚合统计（如用户标签）。

4. 集合（Set）

特点

• 无序 、 唯一 的元素集合。
• 支持交集、并集、差集运算。

底层实现

• IntSet（整数集合） 或 HashTable ：
  • 元素全为整数且数量较少时使用 IntSet ，否则转为 HashTable 。

常用命令

SADD tags "Java"        # 添加元素
SREM tags "Python"      # 删除元素
SMEMBERS tags           # 获取所有元素
SINTER set1 set2        # 求交集
SCARD tags              # 获取元素数量

应用场景

• 标签系统（如文章标签）、共同好友（社交关系）、去重（UV统计）。

5. 有序集合（Sorted Set / ZSet）

特点

• 元素 唯一 ，每个元素关联一个 分数（Score） ，按分数排序。
• 支持范围查询和排名操作。

底层实现

• 跳跃表（SkipList） + HashTable ：
  • HashTable 存储元素到分数的映射。
  • SkipList 按分数排序，支持快速范围查询。

常用命令

ZADD rank 90 "Alice"    # 添加元素
ZRANGE rank 0 -1 WITHSCORES  # 按分数升序获取
ZREVRANK rank "Bob"     # 获取元素排名（降序）
ZCOUNT rank 80 100      # 统计分数区间内的元素

应用场景

• 排行榜（游戏积分）、延迟队列（按时间戳排序）、带权重的任务调度。

6. 其他高级数据结构

6.1 位图（Bitmap）

• 本质 ：字符串的二进制位操作。

• 命令 ：

  SETBIT user:login:202310 5 1  # 记录用户第5天登录
  BITCOUNT user:login:202310    # 统计当月登录天数

• 应用 ：用户活跃度统计、布隆过滤器。

6.2 HyperLogLog

• 特点 ：用于基数统计（估算不重复元素数量），误差率约 0.81%。

• 命令 ：

  PFADD ip_visitors "192.168.1.1"
  PFCOUNT ip_visitors          # 估算唯一IP数

• 应用 ：大规模去重统计（如UV）。

6.3 地理空间（GEO）

• 底层 ：基于 ZSet 实现，存储经纬度。

• 命令 ：

  GEOADD cities 116.40 39.90 "Beijing"
  GEODIST cities "Beijing" "Shanghai" km  # 计算距离

• 应用 ：附近的人、地理位置搜索。

6.4 流（Stream，Redis 5.0+）

• 特点 ：持久化的消息队列，支持消费者组。

• 命令 ：

  XADD mystream * field1 "value1"  # 添加消息
  XREAD COUNT 10 STREAMS mystream 0  # 读取消息

• 应用 ：事件溯源、日志收集。

7. 数据结构选择总结

8. 底层编码优化

Redis 根据数据量和元素类型自动选择编码方式以节省内存：

• Hash / ZSet / List ：小数据量时使用 ZipList ，大数据量时转为 HashTable 或 SkipList 。
• Set ：整数元素且数量少时使用 IntSet ，否则转为 HashTable 。

9. 注意事项

1. 内存优化 ：合理选择数据结构（如小数据用 Hash 而非多个 String ）。
2. 时间复杂度 ：关注命令的时间复杂度（如 ZRANGE 为 O(log N)）。
3. 持久化 ：RDB/AOF 对数据结构的存储效率不同。

通过合理选择数据结构和编码方式，可显著提升 Redis 性能和内存利用率。