詳解Redis數(shù)據(jù)類型實(shí)現(xiàn)原理

1. 對象的類型與編碼

　　Redis使用前面說的五大數(shù)據(jù)類型來表示鍵和值，每次在Redis數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一個(gè)鍵值對時(shí)，至少會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)對象，一個(gè)是鍵對象，一個(gè)是值對象，而Redis中的每個(gè)對象都是由 redisObject 結(jié)構(gòu)來表示：

typedef struct redisObject{
     //類型
     unsigned type:4;
     //編碼
     unsigned encoding:4;
     //指向底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針
     void *ptr;
     //引用計(jì)數(shù)
     int refcount;
     //記錄最后一次被程序訪問的時(shí)間
     unsigned lru:22;
 
}robj

① type屬性

　　對象的type屬性記錄了對象的類型，這個(gè)類型就是前面講的五大數(shù)據(jù)類型：

　　可以通過如下命令來判斷對象類型：

type key

　　注意：在Redis中，鍵總是一個(gè)字符串對象，而值可以是字符串、列表、集合等對象，所以我們通常說的鍵為字符串鍵，表示的是這個(gè)鍵對應(yīng)的值為字符串對象，我們說一個(gè)鍵為集合鍵時(shí)，表示的是這個(gè)鍵對應(yīng)的值為集合對象。

② encoding 屬性和 *prt 指針

　　對象的 prt 指針指向?qū)ο蟮讓拥臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由 encoding 屬性來決定。

　　而每種類型的對象都至少使用了兩種不同的編碼：

　　可以通過如下命令查看值對象的編碼：

OBJECT ENCODING  key

　　比如 string 類型：

2. 字符串對象

　　字符串是Redis最基本的數(shù)據(jù)類型，不僅所有key都是字符串類型，其它幾種數(shù)據(jù)類型構(gòu)成的元素也是字符串。注意字符串的長度不能超過512M。

① 編碼

　　字符串對象的編碼可以是int，raw或者embstr。

　　1、int 編碼：保存的是可以用 long 類型表示的整數(shù)值。

　　2、raw 編碼：保存長度大于44字節(jié)的字符串。

　　3、embstr 編碼：保存長度小于44字節(jié)的字符串。、

　　由上可以看出，int 編碼是用來保存整數(shù)值，raw編碼是用來保存長字符串，而embstr是用來保存短字符串。其實(shí) embstr 編碼是專門用來保存短字符串的一種優(yōu)化編碼，raw 和 embstr 的區(qū)別：、

　　embstr與raw都使用redisObject和sds保存數(shù)據(jù)，區(qū)別在于，embstr的使用只分配一次內(nèi)存空間（因此redisObject和sds是連續(xù)的），而raw需要分配兩次內(nèi)存空間（分別為redisObject和sds分配空間）。因此與raw相比，embstr的好處在于創(chuàng)建時(shí)少分配一次空間，刪除時(shí)少釋放一次空間，以及對象的所有數(shù)據(jù)連在一起，尋找方便。而embstr的壞處也很明顯，如果字符串的長度增加需要重新分配內(nèi)存時(shí)，整個(gè)redisObject和sds都需要重新分配空間，因此redis中的embstr實(shí)現(xiàn)為只讀。

　　ps：Redis中對于浮點(diǎn)數(shù)類型也是作為字符串保存的，在需要的時(shí)候再將其轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)類型。

② 編碼的轉(zhuǎn)換

　　當(dāng) int 編碼保存的值不再是整數(shù)，或大小超過了long的范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)化為raw。

　　對于 embstr 編碼，由于 Redis 沒有對其編寫任何的修改程序（embstr 是只讀的），在對embstr對象進(jìn)行修改時(shí)，都會(huì)先轉(zhuǎn)化為raw再進(jìn)行修改，因此，只要是修改embstr對象，修改后的對象一定是raw的，無論是否達(dá)到了44個(gè)字節(jié)。

3. 列表對象

　　list 列表，它是簡單的字符串列表，按照插入順序排序，你可以添加一個(gè)元素到列表的頭部（左邊）或者尾部（右邊），它的底層實(shí)際上是個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)。

① 編碼

　　列表對象的編碼可以是 ziplist(壓縮列表) 和 linkedlist(雙端鏈表)。

　　比如我們執(zhí)行以下命令，創(chuàng)建一個(gè) key = ‘numbers'，value = ‘1 three 5' 的三個(gè)值的列表。

rpush numbers 1 "three" 5

　　ziplist 編碼表示如下

　　linkedlist表示如下：

② 編碼轉(zhuǎn)換

　　當(dāng)同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件時(shí)，使用ziplist（壓縮列表）編碼：

　　1、列表保存元素個(gè)數(shù)小于512個(gè)

　　2、每個(gè)元素長度小于64字節(jié)

　　不能滿足這兩個(gè)條件的時(shí)候使用 linkedlist 編碼。

　　上面兩個(gè)條件可以在redis.conf 配置文件中的 list-max-ziplist-value選項(xiàng)和 list-max-ziplist-entries 選項(xiàng)進(jìn)行配置。

4. 哈希對象

　　哈希對象的鍵是一個(gè)字符串類型，值是一個(gè)鍵值對集合。

① 編碼

　　哈希對象的編碼可以是 ziplist 或者 hashtable。

　　當(dāng)使用ziplist，也就是壓縮列表作為底層實(shí)現(xiàn)時(shí)，新增的鍵值對是保存到壓縮列表的表尾。比如執(zhí)行以下命令：

hset profile name "Tom"
hset profile age 25
hset profile career "Programmer"

　　如果使用ziplist，profile 存儲(chǔ)如下：

　　當(dāng)使用 hashtable 編碼時(shí)，上面命令存儲(chǔ)如下：

　　hashtable 編碼的哈希表對象底層使用字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，哈希對象中的每個(gè)鍵值對都使用一個(gè)字典鍵值對。

　　在前面介紹壓縮列表時(shí)，我們介紹過壓縮列表是Redis為了節(jié)省內(nèi)存而開發(fā)的，是由一系列特殊編碼的連續(xù)內(nèi)存塊組成的順序型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，相對于字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，壓縮列表用于元素個(gè)數(shù)少、元素長度小的場景。其優(yōu)勢在于集中存儲(chǔ)，節(jié)省空間。

② 編碼轉(zhuǎn)換

　　和上面列表對象使用 ziplist 編碼一樣，當(dāng)同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件時(shí)，使用ziplist（壓縮列表）編碼：

　　1、列表保存元素個(gè)數(shù)小于512個(gè)

　　2、每個(gè)元素長度小于64字節(jié)

　　不能滿足這兩個(gè)條件的時(shí)候使用 hashtable 編碼。第一個(gè)條件可以通過配置文件中的 set-max-intset-entries 進(jìn)行修改。

5. 集合對象

　集合對象 set 是 string 類型（整數(shù)也會(huì)轉(zhuǎn)換成string類型進(jìn)行存儲(chǔ)）的無序集合。注意集合和列表的區(qū)別：集合中的元素是無序的，因此不能通過索引來操作元素；集合中的元素不能有重復(fù)。

① 編碼

　　集合對象的編碼可以是 intset 或者 hashtable。

　　intset 編碼的集合對象使用整數(shù)集合作為底層實(shí)現(xiàn)，集合對象包含的所有元素都被保存在整數(shù)集合中。

　　hashtable 編碼的集合對象使用 字典作為底層實(shí)現(xiàn)，字典的每個(gè)鍵都是一個(gè)字符串對象，這里的每個(gè)字符串對象就是一個(gè)集合中的元素，而字典的值則全部設(shè)置為 null。這里可以類比Java集合中HashSet 集合的實(shí)現(xiàn)，HashSet 集合是由 HashMap 來實(shí)現(xiàn)的，集合中的元素就是 HashMap 的key，而 HashMap 的值都設(shè)為 null。

SADD numbers 1 3 5

SADD Dfruits "apple" "banana" "cherry"

② 編碼轉(zhuǎn)換

　　當(dāng)集合同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，使用 intset 編碼：

　　1、集合對象中所有元素都是整數(shù)

　　2、集合對象所有元素?cái)?shù)量不超過512

　　不能滿足這兩個(gè)條件的就使用 hashtable 編碼。第二個(gè)條件可以通過配置文件的 set-max-intset-entries 進(jìn)行配置。

6. 有序集合對象

　　和上面的集合對象相比，有序集合對象是有序的。與列表使用索引下標(biāo)作為排序依據(jù)不同，有序集合為每個(gè)元素設(shè)置一個(gè)分?jǐn)?shù)（score）作為排序依據(jù)。

① 編碼

　　有序集合的編碼可以是 ziplist 或者 skiplist。

　　ziplist 編碼的有序集合對象使用壓縮列表作為底層實(shí)現(xiàn)，每個(gè)集合元素使用兩個(gè)緊挨在一起的壓縮列表節(jié)點(diǎn)來保存，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)保存元素的成員，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)保存元素的分值。并且壓縮列表內(nèi)的集合元素按分值從小到大的順序進(jìn)行排列，小的放置在靠近表頭的位置，大的放置在靠近表尾的位置。

ZADD price 8.5 apple 5.0 banana 6.0 cherry

　skiplist 編碼的有序集合對象使用 zet 結(jié)構(gòu)作為底層實(shí)現(xiàn)，一個(gè) zset 結(jié)構(gòu)同時(shí)包含一個(gè)字典和一個(gè)跳躍表：

typedef struct zset{
     //跳躍表
     zskiplist *zsl;
     //字典
     dict *dice;
} zset;

　　字典的鍵保存元素的值，字典的值則保存元素的分值；跳躍表節(jié)點(diǎn)的 object 屬性保存元素的成員，跳躍表節(jié)點(diǎn)的 score 屬性保存元素的分值。

　　這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)通過指針來共享相同元素的成員和分值，所以不會(huì)產(chǎn)生重復(fù)成員和分值，造成內(nèi)存的浪費(fèi)。

　　說明：其實(shí)有序集合單獨(dú)使用字典或跳躍表其中一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)，但是這里使用兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組合起來，原因是假如我們單獨(dú)使用 字典，雖然能以 O(1) 的時(shí)間復(fù)雜度查找成員的分值，但是因?yàn)樽值涫且詿o序的方式來保存集合元素，所以每次進(jìn)行范圍操作的時(shí)候都要進(jìn)行排序；假如我們單獨(dú)使用跳躍表來實(shí)現(xiàn)，雖然能執(zhí)行范圍操作，但是查找操作有 O(1)的復(fù)雜度變?yōu)榱薕(logN)。因此Redis使用了兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來共同實(shí)現(xiàn)有序集合。

② 編碼轉(zhuǎn)換

　　當(dāng)有序集合對象同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，對象使用 ziplist 編碼：

　　1、保存的元素?cái)?shù)量小于128；

　　2、保存的所有元素長度都小于64字節(jié)。

　　不能滿足上面兩個(gè)條件的使用 skiplist 編碼。以上兩個(gè)條件也可以通過Redis配置文件zset-max-ziplist-entries 選項(xiàng)和 zset-max-ziplist-value 進(jìn)行修改。

7. 五大數(shù)據(jù)類型的應(yīng)用場景

　　對于string 數(shù)據(jù)類型，因?yàn)閟tring 類型是二進(jìn)制安全的，可以用來存放圖片，視頻等內(nèi)容，另外由于Redis的高性能讀寫功能，而string類型的value也可以是數(shù)字，可以用作計(jì)數(shù)器（INCR,DECR），比如分布式環(huán)境中統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的在線人數(shù)，秒殺等。

　　對于 hash 數(shù)據(jù)類型，value 存放的是鍵值對，比如可以做單點(diǎn)登錄存放用戶信息。

　　對于 list 數(shù)據(jù)類型，可以實(shí)現(xiàn)簡單的消息隊(duì)列，另外可以利用lrange命令，做基于redis的分頁功能

　　對于 set 數(shù)據(jù)類型，由于底層是字典實(shí)現(xiàn)的，查找元素特別快，另外set 數(shù)據(jù)類型不允許重復(fù)，利用這兩個(gè)特性我們可以進(jìn)行全局去重，比如在用戶注冊模塊，判斷用戶名是否注冊；另外就是利用交集、并集、差集等操作，可以計(jì)算共同喜好，全部的喜好，自己獨(dú)有的喜好等功能。

　　對于 zset 數(shù)據(jù)類型，有序的集合，可以做范圍查找，排行榜應(yīng)用，取 TOP N 操作等。

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