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毫无疑问,Redis开创了一种新的数据存储思路,使用Redis,我们不用在面对功能单调的数据库时,把精力放在如何把大象放进冰箱这样的问题上,而是利用Redis灵活多变的数据结构和数据操作,为不同的大象构建不同的冰箱。希望你喜欢这个比喻。

    一、Redis常用数据类型

Redis最为常用的数据类型主要有以下五种:

String
Hash
List
Set
Sorted set

首先Redis内部使用一个redisObject对象来表示所有的key和value,redisObject最主要的信息如上图所示:type代表一个value对象具体是何种数据类型,encoding是不同数据类型在redis内部的存储方式,比如:type=string代表value存储的是一个普通字符串,那么对应的encoding可以是raw或者是int,如果是int则代表实际redis内部是按数值型类存储和表示这个字符串的,当然前提是这个字符串本身可以用数值表示,比如:"123" "456"这样的字符串。

这里需要特殊说明一下vm字段,只有打开了Redis的虚拟内存功能,此字段才会真正的分配内存,该功能默认是关闭状态的。通过上图我们可以发现Redis使用redisObject来表示所有的key/value数据是比较浪费内存的,当然这些内存管理成本的付出主要也是为了给Redis不同数据类型提供一个统一的管理接口,实际作者也提供了多种方法帮助我们尽量节省内存使用,我们随后会具体讨论。

    二、各种数据类型应用和实现方式

下面我们先来逐一的分析下这五种数据类型的使用和内部实现方式:

1、String

String 数据结构是简单的key-value类型,value其实不仅是String,也可以是数字。

常用命令:get、set、incr、decr、mget等。

应用场景:String是最常用的一种数据类型,普通的key/ value 存储都可以归为此类,即可以完全实现目前 Memcached 的功能,并且效率更高。还可以享受Redis的定时持久化,操作日志及 Replication等功能。除了提供与 Memcached 一样的get、set、incr、decr 等操作外,Redis还提供了下面一些操作:

获取字符串长度
往字符串append内容
设置和获取字符串的某一段内容
设置及获取字符串的某一位(bit)
批量设置一系列字符串的内容
使用场景:常规key-value缓存应用。常规计数: 微博数, 粉丝数。

实现方式:String在redis内部存储默认就是一个字符串,被redisObject所引用,当遇到incr,decr等操作时会转成数值型进行计算,此时redisObject的encoding字段为int。
2、Hash

常用命令:hget,hset,hgetall 等。

应用场景:

我们简单举个实例来描述下Hash的应用场景,比如我们要存储一个用户信息对象数据,包含以下信息:

用户ID为查找的key,存储的value用户对象包含姓名,年龄,生日等信息,如果用普通的key/value结构来存储,主要有以下2种存储方式:
第一种方式将用户ID作为查找key,把其他信息封装成一个对象以序列化的方式存储,这种方式的缺点是,增加了序列化/反序列化的开销,并且在需要修改其中一项信息时,需要把整个对象取回,并且修改操作需要对并发进行保护,引入CAS等复杂问题。

     第二种方法是这个用户信息对象有多少成员就存成多少个key-value对儿,用用户ID+对应属性的名称作为唯一标识来取得对应属性的值,虽然省去了序列化开销和并发问题,但是用户ID为重复存储,如果存在大量这样的数据,内存浪费还是非常可观的。

那么Redis提供的Hash很好的解决了这个问题,Redis的Hash实际是内部存储的Value为一个HashMap,并提供了直接存取这个Map成员的接口

也就是说,Key仍然是用户ID, value是一个Map,这个Map的key是成员的属性名,value是属性值,这样对数据的修改和存取都可以直接通过其内部Map的Key(Redis里称内部Map的key为field), 也就是通过 key(用户ID) + field(属性标签) 就可以操作对应属性数据了,既不需要重复存储数据,也不会带来序列化和并发修改控制的问题。很好的解决了问题。

这里同时需要注意,Redis提供了接口(hgetall)可以直接取到全部的属性数据,但是如果内部Map的成员很多,那么涉及到遍历整个内部Map的操作,由于Redis单线程模型的缘故,这个遍历操作可能会比较耗时,而另其它客户端的请求完全不响应,这点需要格外注意。

使用场景:存储部分变更数据,如用户信息等。

实现方式:

上面已经说到Redis Hash对应Value内部实际就是一个HashMap,实际这里会有2种不同实现,这个Hash的成员比较少时Redis为了节省内存会采用类似一维数组的方式来紧凑存储,而不会采用真正的HashMap结构,对应的value redisObject的encoding为zipmap,当成员数量增大时会自动转成真正的HashMap,此时encoding为ht。

 3、List

常用命令:lpush,rpush,lpop,rpop,lrange等。

应用场景:

Redis list的应用场景非常多,也是Redis最重要的数据结构之一,比如twitter的关注列表,粉丝列表等都可以用Redis的list结构来实现。

List 就是链表,相信略有数据结构知识的人都应该能理解其结构。使用List结构,我们可以轻松地实现最新消息排行等功能。List的另一个应用就是消息队列,
可以利用List的PUSH操作,将任务存在List中,然后工作线程再用POP操作将任务取出进行执行。Redis还提供了操作List中某一段的api,你可以直接查询,删除List中某一段的元素。

实现方式:

Redis 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,Redis内部的很多实现,包括发送缓冲队列等也都是用的这个数据结构。

Redis的list是每个子元素都是String类型的双向链表,可以通过push和pop操作从列表的头部或者尾部添加或者删除元素,这样List即可以作为栈,也可以作为队列。

使用场景:
消息队列系统
使用list可以构建队列系统,使用sorted set甚至可以构建有优先级的队列系统。

比如:将Redis用作日志收集器

实际上还是一个队列,多个端点将日志信息写入Redis,然后一个worker统一将所有日志写到磁盘。
4、Set

常用命令:

sadd,spop,smembers,sunion 等。

应用场景:

 Redis set对外提供的功能与list类似是一个列表的功能,特殊之处在于set是可以自动排重的,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提供了判断某个成员是否在一个set集合内的重要接口,这个也是list所不能提供的。

Set 就是一个集合,集合的概念就是一堆不重复值的组合。利用Redis提供的Set数据结构,可以存储一些集合性的数据。

案例:

在微博应用中,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。Redis还为集合提供了求交集、并集、差集等操作,可以非常方便的实现如共同关注、共同喜好、二度好友等功能,对上面的所有集合操作,你还可以使用不同的命令选择将结果返回给客户端还是存集到一个新的集合中。

Set是集合,是String类型的无序集合,set是通过hashtable实现的,概念和数学中个的集合基本类似,可以交集,并集,差集等等,set中的元素是没有顺序的。

实现方式:

set 的内部实现是一个 value永远为null的HashMap,实际就是通过计算hash的方式来快速排重的,这也是set能提供判断一个成员是否在集合内的原因。
5、Sorted Set

常用命令:

zadd,zrange,zrem,zcard等

使用场景:

 Redis sorted set的使用场景与set类似,区别是set不是自动有序的,而sorted set可以通过用户额外提供一个优先级(score)的参数来为成员排序,并且是插入有序的,即自动排序。当你需要一个有序的并且不重复的集合列表,那么可以选择sorted set数据结构,比如twitter 的public timeline可以以发表时间作为score来存储,这样获取时就是自动按时间排好序的。

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,比如一个存储全班同学成绩的Sorted Set,其集合value可以是同学的学号,而score就可以是其考试得分,这样在数据插入集合的时候,就已经进行了天然的排序。另外还可以用Sorted Set来做带权重的队列,比如普通消息的score为1,重要消息的score为2,然后工作线程可以选择按score的倒序来获取工作任务。让重要的任务优先执行。

实现方式:

Redis sorted set的内部使用HashMap和跳跃表(SkipList)来保证数据的存储和有序,HashMap里放的是成员到score的映射,而跳跃表里存放的是所有的成员,排序依据是HashMap里存的score,使用跳跃表的结构可以获得比较高的查找效率,并且在实现上比较简单。