Redis 5 种基本数据结构详解

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2022年7月20日约 3642 字大约 12 分钟

你可以在 Redis 官网上找到 Redis 数据结构非常详细的介绍:

未来随着 Redis 新版本的发布,可能会有新的数据结构出现,通过查阅 Redis 官网对应的介绍,你总能获取到最靠谱的信息。

String(字符串)

介绍

String 是 Redis 中最简单同时也是最常用的一个数据结构。

String 是一种二进制安全的数据结构,可以用来存储任何类型的数据比如字符串、整数、浮点数、图片(图片的 base64 编码或者解码或者图片的路径)、序列化后的对象。

虽然 Redis 是用 C 语言写的,但是 Redis 并没有使用 C 的字符串表示,而是自己构建了一种 简单动态字符串(Simple Dynamic String,SDS)。相比于 C 的原生字符串,Redis 的 SDS 不光可以保存文本数据还可以保存二进制数据,并且获取字符串长度复杂度为 O(1)(C 字符串为 O(N)),除此之外,Redis 的 SDS API 是安全的,不会造成缓冲区溢出。

常用命令

命令介绍
SET key value设置指定 key 的值
SETNX key value只有在 key 不存在时设置 key 的值
GET key获取指定 key 的值
MSET key1 value1 key2 value2 …设置一个或多个指定 key 的值
MGET key1 key2 ...获取一个或多个指定 key 的值
STRLEN key返回 key 所储存的字符串值的长度
INCR key将 key 中储存的数字值增一
DECR key将 key 中储存的数字值减一
EXISTS key判断指定 key 是否存在
DEL key(通用)删除指定的 key
EXPIRE key seconds(通用)给指定 key 设置过期时间

更多 Redis String 命令以及详细使用指南,请查看 Redis 官网对应的介绍:https://redis.io/commands/?group=string 。

基本操作

> SET key value
OK
> GET key
"value"
> EXISTS key
(integer) 1
> STRLEN key
(integer) 5
> DEL key
(integer) 1
> GET key
(nil)

批量设置

> MSET key1 value1 key2 value2
OK
> MGET key1 key2 # 批量获取多个 key 对应的 value
1) "value1"
2) "value2"

计数器(字符串的内容为整数的时候可以使用):

> SET number 1
OK
> INCR number # 将 key 中储存的数字值增一
(integer) 2
> GET number
"2"
> DECR number # 将 key 中储存的数字值减一
(integer) 1
> GET number
"1"

设置过期时间(默认为永不过期)

> EXPIRE key 60
(integer) 1
> SETNX key 60 value # 设置值并设置过期时间
OK
> TTL key
(integer) 56

应用场景

需要存储常规数据的场景

  • 举例 :缓存 session、token、图片地址、序列化后的对象(相比较于 Hash 存储更节省内存)。
  • 相关命令 : SETGET

需要计数的场景

  • 举例 :用户单位时间的请求数(简单限流可以用到)、页面单位时间的访问数。
  • 相关命令 :SETGETINCRDECR

分布式锁

利用 SETNX key value 命令可以实现一个最简易的分布式锁(存在一些缺陷,通常不建议这样实现分布式锁)。

List(列表)

介绍

Redis 中的 List 其实就是链表数据结构的实现。我在 线性数据结构 :数组、链表、栈、队列open in new window 这篇文章中详细介绍了链表这种数据结构,我这里就不多做介绍了。

许多高级编程语言都内置了链表的实现比如 Java 中的 LinkedList,但是 C 语言并没有实现链表,所以 Redis 实现了自己的链表数据结构。Redis 的 List 的实现为一个 双向链表,即可以支持反向查找和遍历,更方便操作,不过带来了部分额外的内存开销。

常用命令

命令介绍
RPUSH key value1 value2 ...在指定列表的尾部(右边)添加一个或多个元素
LPUSH key value1 value2 ...在指定列表的头部(左边)添加一个或多个元素
LSET key index value将指定列表索引 index 位置的值设置为 value
LPOP key移除并获取指定列表的第一个元素(最左边)
RPOP key移除并获取指定列表的最后一个元素(最右边)
LLEN key获取列表元素数量
LRANGE key start end获取列表 start 和 end 之间 的元素

更多 Redis List 命令以及详细使用指南,请查看 Redis 官网对应的介绍:https://redis.io/commands/?group=list 。

通过 RPUSH/LPOP 或者 LPUSH/RPOP实现队列

> RPUSH myList value1
(integer) 1
> RPUSH myList value2 value3
(integer) 3
> LPOP myList
"value1"
> LRANGE myList 0 1
1) "value2"
2) "value3"
> LRANGE myList 0 -1
1) "value2"
2) "value3"

通过 RPUSH/RPOP或者LPUSH/LPOP 实现栈

> RPUSH myList2 value1 value2 value3
(integer) 3
> RPOP myList2 # 将 list的头部(最右边)元素取出
"value3"

我专门画了一个图方便大家理解 RPUSH , LPOP , lpush , RPOP 命令:

通过 LRANGE 查看对应下标范围的列表元素

> RPUSH myList value1 value2 value3
(integer) 3
> LRANGE myList 0 1
1) "value1"
2) "value2"
> LRANGE myList 0 -1
1) "value1"
2) "value2"
3) "value3"

通过 LRANGE 命令,你可以基于 List 实现分页查询,性能非常高!

通过 LLEN 查看链表长度

> LLEN myList
(integer) 3

应用场景

信息流展示

  • 举例 :最新文章、最新动态。
  • 相关命令 : LPUSHLRANGE

消息队列

Redis List 数据结构可以用来做消息队列,只是功能过于简单且存在很多缺陷,不建议这样做。

相对来说,Redis 5.0 新增加的一个数据结构 Stream 更适合做消息队列一些,只是功能依然非常简陋。和专业的消息队列相比,还是有很多欠缺的地方比如消息丢失和堆积问题不好解决。

Hash(哈希)

介绍

Redis 中的 Hash 是一个 String 类型的 field-value(键值对) 的映射表,特别适合用于存储对象,后续操作的时候,你可以直接修改这个对象中的某些字段的值。

Hash 类似于 JDK1.8 前的 HashMap,内部实现也差不多(数组 + 链表)。不过,Redis 的 Hash 做了更多优化。

常用命令

命令介绍
HSET key field value设置指定哈希表中指定字段的值
HSETNX key field value只有指定字段不存在时设置指定字段的值
HMSET key field1 value1 field2 value2 ...同时将一个或多个 field-value (域-值)对设置到指定哈希表中
HGET key field获取指定哈希表中指定字段的值
HMGET key field1 field2 ...获取指定哈希表中一个或者多个指定字段的值
HGETALL key获取指定哈希表中所有的键值对
HEXISTS key field查看指定哈希表中指定的字段是否存在
HDEL key field1 field2 ...删除一个或多个哈希表字段
HLEN key获取指定哈希表中字段的数量
HINCRBY key field increment对指定哈希中的指定字段做运算操作(正数为加,负数为减)

更多 Redis Hash 命令以及详细使用指南,请查看 Redis 官网对应的介绍:https://redis.io/commands/?group=hash 。

模拟对象数据存储

> HMSET userInfoKey name "guide" description "dev" age 24
OK
> HEXISTS userInfoKey name # 查看 key 对应的 value中指定的字段是否存在。
(integer) 1
> HGET userInfoKey name # 获取存储在哈希表中指定字段的值。
"guide"
> HGET userInfoKey age
"24"
> HGETALL userInfoKey # 获取在哈希表中指定 key 的所有字段和值
1) "name"
2) "guide"
3) "description"
4) "dev"
5) "age"
6) "24"
> HSET userInfoKey name "GuideGeGe"
> HGET userInfoKey name
"GuideGeGe"
> HINCRBY userInfoKey age 2
(integer) 26

应用场景

对象数据存储场景

  • 举例 :用户信息、商品信息、文章信息、购物车信息。
  • 相关命令 :HSET (设置单个字段的值)、HMSET(设置多个字段的值)、HGET(获取单个字段的值)、HMGET(获取多个字段的值)。

Set(集合)

介绍

Redis 中的 Set 类型是一种无序集合,集合中的元素没有先后顺序但都唯一,有点类似于 Java 中的 HashSet 。当你需要存储一个列表数据,又不希望出现重复数据时,Set 是一个很好的选择,并且 Set 提供了判断某个元素是否在一个 Set 集合内的重要接口,这个也是 List 所不能提供的。

你可以基于 Set 轻易实现交集、并集、差集的操作,比如你可以将一个用户所有的关注人存在一个集合中,将其所有粉丝存在一个集合。这样的话,Set 可以非常方便的实现如共同关注、共同粉丝、共同喜好等功能。这个过程也就是求交集的过程。

常用命令

命令介绍
SADD key member1 member2 ...向指定集合添加一个或多个元素
SMEMBERS key获取指定集合中的所有元素
SCARD key获取指定集合的元素数量
SISMEMBER key member判断指定元素是否在指定集合中
SINTER key1 key2 ...获取给定所有集合的交集
SINTERSTORE destination key1 key2 ...将给定所有集合的交集存储在 destination 中
SUNION key1 key2 ...获取给定所有集合的并集
SUNIONSTORE destination key1 key2 ...将给定所有集合的并集存储在 destination 中
SDIFF key1 key2 ...获取给定所有集合的差集
SDIFFSTORE destination key1 key2 ...将给定所有集合的差集存储在 destination 中
SPOP key count随机移除并获取指定集合中一个或多个元素
SRANDMEMBER key count随机获取指定集合中指定数量的元素

更多 Redis Set 命令以及详细使用指南,请查看 Redis 官网对应的介绍:https://redis.io/commands/?group=set 。

基本操作

> SADD mySet value1 value2
(integer) 2
> SADD mySet value1 # 不允许有重复元素,因此添加失败
(integer) 0
> SMEMBERS mySet
1) "value1"
2) "value2"
> SCARD mySet
(integer) 2
> SISMEMBER mySet value1
(integer) 1
> SADD mySet2 value2 value3
(integer) 2
  • mySet : value1value2
  • mySet2value2value3

求交集

> SINTERSTORE mySet3 mySet mySet2
(integer) 1
> SMEMBERS mySet3
1) "value2"

求并集

> SUNION mySet mySet2
1) "value3"
2) "value2"
3) "value1"

求差集

> SDIFF mySet mySet2 # 差集是由所有属于 mySet 但不属于 A 的元素组成的集合
1) "value1"

应用场景

需要存放的数据不能重复的场景

  • 举例:网站 UV 统计(数据量巨大的场景还是 HyperLogLog更适合一些)、文章点赞、动态点赞等场景。
  • 相关命令:SCARD(获取集合数量) 。

需要获取多个数据源交集、并集和差集的场景

  • 举例 :共同好友(交集)、共同粉丝(交集)、共同关注(交集)、好友推荐(差集)、音乐推荐(差集) 、订阅号推荐(差集+交集) 等场景。
  • 相关命令:SINTER(交集)、SINTERSTORE (交集)、SUNION (并集)、SUNIONSTORE(并集)、SDIFF(差集)、SDIFFSTORE (差集)。

需要随机获取数据源中的元素的场景

  • 举例 :抽奖系统、随机。
  • 相关命令:SPOP(随机获取集合中的元素并移除,适合不允许重复中奖的场景)、SRANDMEMBER(随机获取集合中的元素,适合允许重复中奖的场景)。

Sorted Set(有序集合)

介绍

Sorted Set 类似于 Set,但和 Set 相比,Sorted Set 增加了一个权重参数 score,使得集合中的元素能够按 score 进行有序排列,还可以通过 score 的范围来获取元素的列表。有点像是 Java 中 HashMapTreeSet 的结合体。

常用命令

命令介绍
ZADD key score1 member1 score2 member2 ...向指定有序集合添加一个或多个元素
ZCARD KEY获取指定有序集合的元素数量
ZSCORE key member获取指定有序集合中指定元素的 score 值
ZINTERSTORE destination numkeys key1 key2 ...将给定所有有序集合的交集存储在 destination 中,对相同元素对应的 score 值进行 SUM 聚合操作,numkeys 为集合数量
ZUNIONSTORE destination numkeys key1 key2 ...求并集,其它和 ZINTERSTORE 类似
ZDIFF destination numkeys key1 key2 ...求差集,其它和 ZINTERSTORE 类似
ZRANGE key start end获取指定有序集合 start 和 end 之间的元素(score 从低到高)
ZREVRANGE key start end获取指定有序集合 start 和 end 之间的元素(score 从高到底)
ZREVRANK key member获取指定有序集合中指定元素的排名(score 从大到小排序)

更多 Redis Sorted Set 命令以及详细使用指南,请查看 Redis 官网对应的介绍:https://redis.io/commands/?group=sorted-set 。

基本操作

> ZADD myZset 2.0 value1 1.0 value2
(integer) 2
> ZCARD myZset
2
> ZSCORE myZset value1
2.0
> ZRANGE myZset 0 1
1) "value2"
2) "value1"
> ZREVRANGE myZset 0 1
1) "value1"
2) "value2"
> ZADD myZset2 4.0 value2 3.0 value3
(integer) 2

  • myZset : value1(2.0)、value2(1.0) 。
  • myZset2value2 (4.0)、value3(3.0) 。

获取指定元素的排名

> ZREVRANK myZset value1
0
> ZREVRANK myZset value2
1

求交集

> ZINTERSTORE myZset3 2 myZset myZset2
1
> ZRANGE myZset3 0 1 WITHSCORES
value2
5

求并集

> ZUNIONSTORE myZset4 2 myZset myZset2
3
> ZRANGE myZset4 0 2 WITHSCORES
value1
2
value3
3
value2
5

求差集

> ZDIFF 2 myZset myZset2 WITHSCORES
value1
2

应用场景

需要随机获取数据源中的元素根据某个权重进行排序的场景

  • 举例 :各种排行榜比如直播间送礼物的排行榜、朋友圈的微信步数排行榜、王者荣耀中的段位排行榜、话题热度排行榜等等。
  • 相关命令 :ZRANGE (从小到大排序) 、 ZREVRANGE (从大到小排序)、ZREVRANK (指定元素排名)。

《Java 面试指北》open in new window 的「技术面试题篇」就有一篇文章详细介绍如何使用 Sorted Set 来设计制作一个排行榜。

需要存储的数据有优先级或者重要程度的场景 比如优先级任务队列。

  • 举例 :优先级任务队列。
  • 相关命令 :ZRANGE (从小到大排序) 、 ZREVRANGE (从大到小排序)、ZREVRANK (指定元素排名)。

参考

  • Redis Data Structures :https://redis.com/redis-enterprise/data-structures/ 。
  • Redis Commands : https://redis.io/commands/ 。
  • Redis Data types tutorial:https://redis.io/docs/manual/data-types/data-types-tutorial/ 。
  • Redis 存储对象信息是用 Hash 还是 String : https://segmentfault.com/a/1190000040032006