Redis常用六種數(shù)據(jù)類型

Redis 支持多種數(shù)據(jù)類型，每種類型都具有不同的特性和用途。以下是 Redis 中常見的數(shù)據(jù)類型：

一、字符串（String）

1、基本介紹

字符串是最基本的數(shù)據(jù)類型，可以存儲任意類型的數(shù)據(jù)，如文本、數(shù)字或序列化對象?？梢允褂米址嚓P(guān)的命令對其進行操作，如設(shè)置值（SET）、獲取值（GET）、增加數(shù)值（INCR）、追加字符串（APPEND）等。

2、底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理

在 Redis 中，字符串類型的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理是簡單動態(tài)字符串（SDS，Simple Dynamic String）。

簡單動態(tài)字符串是 Redis 自己實現(xiàn)的一種字符串結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的 C 字符串（以空字符 ‘\0’ 結(jié)尾的字符數(shù)組），簡單動態(tài)字符串具有以下優(yōu)勢：

• O(1) 時間復(fù)雜度的修改操作：簡單動態(tài)字符串通過維護字符串長度和可用空間的變量，可以在 O(1) 時間復(fù)雜度內(nèi)進行字符串的修改操作，而不需要像傳統(tǒng) C 字符串那樣進行內(nèi)存拷貝和分配。

• 動態(tài)擴容和縮容：簡單動態(tài)字符串在需要擴容時，可以按需動態(tài)地增加內(nèi)存空間，而不是事先分配固定大小的緩沖區(qū)。這種動態(tài)擴容的機制使得字符串的長度可以根據(jù)需要進行自由調(diào)整，節(jié)省了內(nèi)存空間。

• 二進制安全：簡單動態(tài)字符串可以存儲任意二進制數(shù)據(jù)，不僅僅限于文本字符串。這使得 Redis 可以在字符串類型中存儲和處理二進制數(shù)據(jù)，而不會受到 C 字符串的限制。

• 內(nèi)存預(yù)分配和惰性空間釋放：簡單動態(tài)字符串在進行擴容時，會預(yù)先分配一定的額外空間，以減少頻繁的內(nèi)存分配操作。同時，在字符串縮短時，不會立即釋放多余的空間，而是保留一部分空間，以備后續(xù)使用，從而提高了性能。

總之，簡單動態(tài)字符串是 Redis 中字符串類型的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過動態(tài)擴容和縮容、O(1) 時間復(fù)雜度的修改操作等特性，提供了高效的字符串操作。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得 Redis 的字符串類型非常適用于存儲和處理各種類型的數(shù)據(jù)，包括文本和二進制數(shù)據(jù)。

這個其實和Java中的ArrayList的實現(xiàn)比較像，ArrayList使用的是動態(tài)數(shù)組。如果讀者比較感興趣的話，后續(xù)我可以單獨寫一篇文章來著重講述兩者的區(qū)別。

二、哈希（Hash）

1、基本介紹

哈希是一種鍵值對集合，類似于對象或字典。每個哈希可以存儲多個字段和對應(yīng)的值?？梢允褂霉Ｏ嚓P(guān)的命令對其進行操作，如設(shè)置**字段值（HSET）、獲取字段值（HGET）、獲取全部字段和值（HGETALL）**等。

2、底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理

在 Redis 中，Hash（哈希）的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是哈希表（Hash Table）。

哈希表是一種基于鍵值對的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過哈希函數(shù)將鍵映射到存儲位置，實現(xiàn)了高效的鍵值查找和插入操作。在 Redis 的哈希中，哈希表被用來存儲哈希的鍵值對。

Hash大家應(yīng)該都比較熟悉了，這里簡單講一下Redis 中哈希底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的一些關(guān)鍵點：

• 哈希表優(yōu)勢：使用哈希表作為哈希的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有幾個優(yōu)勢。首先，通過哈希表，可以以常數(shù)時間復(fù)雜度 O(1) 來執(zhí)行插入、刪除和查找操作。其次，哈希表可以高效地處理大量的鍵值對數(shù)據(jù)，具有良好的擴展性。

• 哈希表存儲鍵值對：在 Redis 中，每對哈希的鍵值對被存儲為哈希表的鍵值對。哈希表的鍵被稱為字段（field），而哈希表的值被稱為值（value）。通過哈希表的鍵，可以快速檢索和操作哈希中的鍵值對。

• 哈希表的鍵沖突處理：由于哈希函數(shù)的輸出空間有限，不同的鍵可能映射到相同的哈希表位置，這就是所謂的鍵沖突。為了解決鍵沖突，Redis 使用鏈地址法（Separate Chaining）來處理相同哈希值的鍵。具體來說，Redis 將具有相同哈希值的鍵值對放在同一個鏈表中，通過鏈表來存儲沖突的鍵值對。

• 哈希表的擴容和縮容：為了保持哈希表的高效性能，Redis 在哈希表達到一定負載因子時會自動進行擴容操作。擴容操作涉及重新計算哈希函數(shù)和重新分配空間，以便保持較低的鍵沖突率。同樣，當(dāng)哈希表的使用率較低時，Redis 會自動進行縮容操作，以節(jié)省內(nèi)存空間。

• 哈希的常用操作：Redis 提供了一系列命令來操作哈希，如添加字段和值（HSET）、獲取值（HGET）、刪除字段（HDEL）等。這些命令通過操作底層的哈希表來實現(xiàn)哈希的操作。

Redis 中的哈希數(shù)據(jù)類型通過使用哈希表作為底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高效的鍵值查找和插入操作。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得 Redis 的哈希非常適用于存儲和操作具有鍵值對結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，如用戶信息、配置信息等。

三、列表（List）

1、基本介紹

列表是一個有序的字符串元素集合，可以在列表的兩端進行插入或刪除操作。列表可以用作隊列或棧。您可以使用列表相關(guān)的命令對其進行操作，如插入元素到列表頭（LPUSH）、彈出列表尾部元素（RPOP）、獲取指定范圍的元素（LRANGE）等。

2、底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理

在 Redis 中，List（列表）的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是雙向鏈表（doubly linked list）。（注：Java中的LinkedList底層也是雙向鏈表，可以對比學(xué)習(xí)。）

雙向鏈表是一種由多個節(jié)點組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點包含一個值和兩個指針，分別指向前一個節(jié)點和后一個節(jié)點。在 Redis 中，每個列表都由一個雙向鏈表來實現(xiàn)，列表的每個元素都存儲在一個節(jié)點中。

Redis 通過使用雙向鏈表作為列表的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對列表的高效操作。以下是一些關(guān)于 Redis 列表底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的重要細節(jié)：

• 雙向鏈表優(yōu)勢：使用雙向鏈表作為列表的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有幾個優(yōu)勢。首先，它允許在列表的兩端進行高效的插入和刪除操作，時間復(fù)雜度為 O(1)。其次，雙向鏈表可以按照順序遍歷和反向遍歷列表，使得在有序列表中執(zhí)行范圍操作非常高效。

• 列表的頭節(jié)點和尾節(jié)點：Redis 中的列表有一個特殊的頭節(jié)點和尾節(jié)點，分別表示列表的開頭和結(jié)尾。這些節(jié)點不包含實際的值，只是作為指示列表邊界的標(biāo)記。它們的存在使得在列表兩端執(zhí)行插入和刪除操作更加高效。

• 列表的節(jié)點結(jié)構(gòu)：每個列表節(jié)點包含三個主要部分。第一個部分是前置節(jié)點指針，指向前一個節(jié)點；第二個部分是后置節(jié)點指針，指向后一個節(jié)點；第三個部分是值，存儲實際的列表元素。

• 列表的頭指針和尾指針：Redis 中的列表有兩個指針，分別指向列表的頭節(jié)點和尾節(jié)點。這些指針使得在列表兩端執(zhí)行插入、刪除和訪問操作更加方便和高效。

• 列表的常用操作：Redis 提供了一系列命令來操作列表，如插入元素到列表頭部（LPUSH）、插入元素到列表尾部（RPUSH）、從列表頭部彈出元素（LPOP）、從列表尾部彈出元素（RPOP）等。這些命令通過操作雙向鏈表的節(jié)點來實現(xiàn)列表的操作。

Redis 中的列表數(shù)據(jù)類型通過使用雙向鏈表作為底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高效的插入、刪除和訪問操作。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得 Redis 列表非常適用于隊列、棧、任務(wù)列表等應(yīng)用場景，同時提供了豐富的命令和操作來滿足不同的需求。

四、集合（Set）

1、基本介紹

集合是一組唯一的、無序的字符串元素集合。集合支持添加、刪除和判斷元素是否存在的操作。您可以使用集合相關(guān)的命令對其進行操作，如添加元素到集合（SADD）、刪除元素（SREM）、判斷元素是否存在（SISMEMBER）等。

2、底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理

在 Redis 中，Set（集合）的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是哈希表（Hash Table）。

哈希表是一種基于鍵值對的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它通過哈希函數(shù)將鍵映射到存儲位置，從而實現(xiàn)高效的鍵值查找和插入操作。在 Redis 的集合中，哈希表被用來存儲集合的元素。

以下是 Redis 中集合底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的一些關(guān)鍵點：

• 哈希表優(yōu)勢：使用哈希表作為集合的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有幾個優(yōu)勢。首先，通過哈希表，可以以常數(shù)時間復(fù)雜度 O(1) 來執(zhí)行插入、刪除和查找操作。其次，哈希表可以高效地處理大量的鍵值對數(shù)據(jù)，具有良好的擴展性。

• 哈希表存儲集合元素：在 Redis 中，每個集合元素被存儲為哈希表的鍵，而哈希表的值則被設(shè)置為一個固定的空占位符。通過哈希表的鍵，可以快速檢索和操作集合中的元素。

• 哈希表的鍵沖突處理：由于哈希函數(shù)的輸出空間有限，不同的鍵可能映射到相同的哈希表位置，這就是所謂的鍵沖突。為了解決鍵沖突，Redis 使用鏈地址法（Separate Chaining）來處理相同哈希值的鍵。具體來說，Redis 將具有相同哈希值的鍵放在同一個鏈表中，通過鏈表來存儲沖突的鍵值對。

• 哈希表的擴容和縮容：為了保持哈希表的高效性能，Redis 在哈希表達到一定負載因子時會自動進行擴容操作。擴容操作涉及重新計算哈希函數(shù)和重新分配空間，以便保持較低的鍵沖突率。同樣，當(dāng)哈希表的使用率較低時，Redis 會自動進行縮容操作，以節(jié)省內(nèi)存空間。

• 集合的常用操作：Redis 提供了一系列命令來操作集合，如添加元素到集合（SADD）、從集合中移除元素（SREM）、判斷元素是否存在于集合中（SISMEMBER）等。這些命令通過操作底層的哈希表來實現(xiàn)集合的操作。

Redis 中的集合數(shù)據(jù)類型通過使用哈希表作為底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高效的插入、刪除和查找操作。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得 Redis 集合非常適用于存儲和操作唯一值的場景，并提供了豐富的命令和操作來滿足不同需求。

五、有序集合（Sorted Set）

1、基本介紹

有序集合是一種在集合基礎(chǔ)上增加了一個分?jǐn)?shù)（score）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個元素都有一個唯一的值和一個對應(yīng)的分?jǐn)?shù)，通過分?jǐn)?shù)可以對元素進行排序。您可以使用有序集合相關(guān)的命令對其進行操作，如添加元素到有序集合（ZADD）、根據(jù)分?jǐn)?shù)范圍獲取元素（ZRANGEBYSCORE）、獲取指定排名范圍的元素（ZRANGE）等。

2、底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理

在 Redis 中，Sorted Set（有序集合）的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是跳躍表（Skip List）和哈希表（Hash Table）的結(jié)合使用。

跳躍表是一種有序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類似于鏈表，但在每個節(jié)點中添加了多個指向其他節(jié)點的指針，從而實現(xiàn)高效的查找和范圍操作。哈希表用于存儲每個成員及其對應(yīng)的分?jǐn)?shù)。

以下是 Redis 中有序集合底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的一些關(guān)鍵點：

• 跳躍表：有序集合使用跳躍表作為有序數(shù)據(jù)的主要存儲結(jié)構(gòu)。跳躍表中的每個節(jié)點都包含一個成員和一個分?jǐn)?shù)，節(jié)點按照成員的字典序進行排序。通過多個層級的指針，跳躍表可以快速跳過一些節(jié)點，從而加快查找速度。

• 跳躍表的層級：跳躍表由多個層級組成，每個層級都是一個有序鏈表。最底層是包含所有成員的完整鏈表，而上層則是通過“跳躍”的方式連接較少的節(jié)點。這種層級結(jié)構(gòu)使得在跳躍表中查找成員的時間復(fù)雜度為 O(log n)。

• 哈希表：除了跳躍表，Redis 還使用哈希表來存儲每個成員及其對應(yīng)的分?jǐn)?shù)。哈希表通過將成員作為鍵、分?jǐn)?shù)作為值來存儲數(shù)據(jù)。這樣，當(dāng)需要根據(jù)成員進行查找或更新時，可以通過哈希表快速定位到對應(yīng)的節(jié)點。

• 跳躍表和哈希表的結(jié)合使用：通過將跳躍表和哈希表結(jié)合使用，Redis 實現(xiàn)了有序集合數(shù)據(jù)類型的高效操作。跳躍表提供了快速的有序查找和范圍操作，而哈希表則提供了快速定位成員的能力。

• 有序集合的常用操作：Redis 提供了一系列命令來操作有序集合，如添加成員和分?jǐn)?shù)（ZADD）、根據(jù)分?jǐn)?shù)范圍獲取成員（ZRANGEBYSCORE）、獲取成員的排名（ZRANK）等。這些命令通過操作底層的跳躍表和哈希表來實現(xiàn)有序集合的操作。

Redis 中的有序集合數(shù)據(jù)類型通過使用跳躍表和哈希表的結(jié)合，實現(xiàn)了高效的有序集合操作。跳躍表提供了快速的查找和范圍操作，而哈希表提供了快速定位成員的能力。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得 Redis 有序集合非常適用于實現(xiàn)排行榜、計數(shù)器和范圍查詢等應(yīng)用場景。

六、Bitmaps

1、基本介紹

位圖是一種使用二進制位來存儲和操作數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。您可以使用位圖相關(guān)的命令對其進行操作，如設(shè)置位（SETBIT）、獲取位（GETBIT）、對多個位進行邏輯操作（BITOP）等。

除了以上常見的數(shù)據(jù)類型，Redis 還支持其他數(shù)據(jù)類型，如地理位置（Geospatial）、流（Stream）等。每種數(shù)據(jù)類型都有各自的用途和適用場景，您可以根據(jù)具體的需求選擇合適的數(shù)據(jù)類型來存儲和操作數(shù)據(jù)。

2、底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理

在 Redis 中，Bitmaps（位圖）的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是字符串（String）。

字符串是 Redis 中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以存儲二進制數(shù)據(jù)。在 Bitmaps 中，每個位（bit）都被存儲為字符串中的一個字符，可以表示為 0 或 1。Redis 使用字符串來表示位圖，并提供了一系列命令來操作位圖數(shù)據(jù)。

以下是 Redis 中位圖底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的一些關(guān)鍵點：

• 字符串存儲位：在 Redis 中，每個位都由一個字符來表示。位圖使用 0 或 1 來表示位的狀態(tài)，通常使用字符 “0” 和 “1” 分別表示位值為 0 或 1。

• 字符串的位操作：Redis 提供了一些位操作命令，如設(shè)置位（SETBIT）、獲取位（GETBIT）、對多個位進行邏輯操作（BITOP）等。這些命令通過操作字符串的位來實現(xiàn)位圖的操作。

• 字符串的二進制存儲：Redis 使用字節(jié)序列來存儲字符串，每個字節(jié)可以表示 8 個位。位圖中的每個位會轉(zhuǎn)換成對應(yīng)字節(jié)中的某一位。

• 位圖的大?。篟edis 中的位圖可以非常大，可以有 2^32 = 4294967296 個位，即可以表示一個長度為 4294967296 的位序列。

• 位圖的應(yīng)用：位圖在 Redis 中廣泛應(yīng)用于各種場景，如統(tǒng)計在線用戶、記錄用戶行為、判斷某個元素是否存在等。由于位圖的存儲非常緊湊，可以有效地節(jié)省存儲空間。

請注意，位圖雖然非常高效，但它是以整個字符串作為單位進行操作的，如果只需要操作其中的某些位，可能會涉及到整個字符串的讀取和寫入，可能會對性能產(chǎn)生影響。因此，在使用位圖時，需要根據(jù)實際需求和數(shù)據(jù)規(guī)模進行權(quán)衡和設(shè)計。

除了以上常見的數(shù)據(jù)類型，Redis 還支持其他數(shù)據(jù)類型，如地理位置（Geospatial）、流（Stream）等。每種數(shù)據(jù)類型都有各自的用途和適用場景，可以根據(jù)具體的需求選擇合適的數(shù)據(jù)類型來存儲和操作數(shù)據(jù)。

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