分布式session-图解Redis6中的9种数据结构，墙裂建议准备去面试的人先看

如图所示，Redis中提供了9种不同的数据操作类型，他们分别代表了不同的数据存储结构。

图2-17 数据类型String类型

String类型是Redis用的较多的一个基本类型，也是最简单的一种类型，它和我们在Java中使用的字符类型什么太大区别，具体结构如图2-18所示。

图2-19String常用操作指令

常用炒作指令如图2-20所示，更多的指令查询：

图2-20String的实际存储结构

学过C++的同学都知道，C++中没有String类型，而Redis又是基于C++来实现的，那么它是如何存储String类型的呢？

Redis并没有采用C语言的传统字符串表示方式（char*或者char[]），在Redis内部，String类型以int/SDS(simple dynamic string)作为结构存储，int用来存放整型数据，sds存放字节/字符串和浮点型数据。

在C的标准字符串结构下进行了封装，用来提升基本操作的性能，同时充分利用以后的C的标准库，简化实现。我们可以在redis的源码中【sds.h】中看到sds的结构如下；

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len;//表示当前sds的长度(单位是字节)
    uint8_t alloc; //表示已为sds分配的内存大小(单位是字节)
    unsigned char flags; //用一个字节表示当前sdshdr的类型，因为有sdshdr有五种类型，所以至少需要3位来表示000:sdshdr5，001:sdshdr8，010:sdshdr16，011:sdshdr32，100:sdshdr64。高5位用不到所以都为0。
    char buf[];//sds实际存放的位置
};

也就是说实际上sds类型就是char*类型，那sds和char*有什么区别呢？

主要区别就是：sds一定有一个所属的结构(sdshdr)，这个header结构在每次创建sds时被创建，用来存储sds以及sds的相关信息

对sds结构有一个简单认识以后，我们如果通过set创建一个字符串，那么也就是会创建一个sds来存储这个字符串信息，那么这个过程是怎么样的呢？

图2-19

Redis采用类似C的做法存储字符串，也就是以’’结尾，’’只作为字符串的定界符，不计入alloc或者len

key命名小技巧

String类型的应用场景

String类型使用比较多，一般来说，不太了解Redis的人，几乎所有场景都是用String类型来存储数据。

分布式缓存

首先最基本的就是用来做业务数据的缓存，如图2-20，Redis中会缓存一些常用的热点数据，可以提升数据查询的性能。

如图2-20

分布式全局ID

使用String类型的incr命令，实现原子递增

限流

使用计数器实现手机验证码频率限流。

分布式session

基于登录场景中，保存token信息。

List类型

列表类型(list)可以存储一个有序且可重复的字符串列表，常用的操作是向列表两端添加元素或者获得列表的某一个片段，List的存储结构如图2-20所示

图2-20常用操作命令

图2-21表示list类型的常用操作命令，具体命令的操作，可以参考：

图2-21数据存储结构

如图2-22所示，在redis6.0中，List采用了QuickList这样一种结构来存储数据，QuickList是一个双向链表，链表的每个节点保存一个ziplist，所有的数据实际上是存储在ziplist中，ziplist是一个压缩列表，它可以节省内存空间。

ziplist详细说明：

听到“压缩”两个字，直观的反应就是节省内存。之所以说这种存储结构节省内存,是相较于数组的存储思路而言的。我们知道,数组要求每个元素的大小相同,如果我们要存储不同长度的字符串,那我们就需要用最大长度的字符串大小作为元素的大小(假设是5个字节)。存储小于5个字节长度的字符串的时候，便会浪费部分存储空间，比如下面这个图所示。

所以，ziplist就是根据每个节点的长度来决定占用内存大小，然后每个元素保存时同步记录当前数据的长度，这样每次添加元素是就可以计算下一个节点在内存中的存储位置，从而形成一个压缩列表。

另外，数据的方式存储数据有一个很好的优势，就是它存储的是在一个连续的内存空间，它可以很好的利用CPU的缓存来访问数据，从而提升访问性能。

图2-22

其中，QuickList中的每个节点称为QuickListNode，具体的定义在quicklist.h文件中。

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;   //链表的上一个node节点
    struct quicklistNode *next;   //链表的下一个node节点
    unsigned char *zl;            //数据指针，如果当前节点数据没有压缩，它指向一个ziplist，否则，指向一个quicklistLZF
    unsigned int sz;             /* 指向的ziplist的总大小 */
    unsigned int count : 16;     /* ziplist中的元素个数 */
    unsigned int encoding : 2;   /* 表示ziplist是否压缩了，1表示没压缩，2表示压缩 */
    unsigned int container : 2;  /* 预留字段 */
    unsigned int recompress : 1; /* 当使用类似lindex命令查看某一个本压缩的数据时，需要先解压，这个用来存储标记，等有机会再把数据重新压缩 */
    unsigned int attempted_compress : 1; /* node can't compress; too small */
    unsigned int extra : 10; /* more bits to steal for future usage */
} quicklistNode;

quickList是list类型的存储结构，其定义如下。

typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;    //指向quicklistNode头节点
    quicklistNode *tail;    //指向quicklistNode的尾节点
    unsigned long count;        /* 所有ziplist数据项的个数综合 */
    unsigned long len;          /* quicklist节点个数*/
    int fill : QL_FILL_BITS;              /* ziplist大小设置 */
    unsigned int compress : QL_COMP_BITS; /* 节点压缩深度设置 */
    unsigned int bookmark_count: QL_BM_BITS;
    quicklistBookmark bookmarks[];
} quicklist;

如图2-23所示，当向list中添加元素时，会直接保存到某个QuickListNode中的ziplist中，不过不管是从头部插入数据，还是从尾部插入数据，都包含两种情况

图2-23实际使用场景

消息队列

列表类型可以使用 rpush 实现先进先出的功能，同时又可以使用 lpop 轻松的弹出（查询并删除）第一个元素，所以列表类型可以用来实现消息队列，如图2-24所示。

图2-24

发红包的场景

在发红包的场景中，假设发一个10元，10个红包，需要保证抢红包的人不会多抢到，也不会少抢到，这种情况下，可以根据图2-25所示去实现。

图2-25Hash类型

Hash类型大家应该都不陌生，他就是一个键值对集合，如图2-26所示。Hash相当于一个 string 类型的 key和 value 的映射表，key 还是key，但是value是一个键值对（key-value），类比于 Java里面的 Map> 集合。

图2-26Hash常用操作命令

Hash结构的常用操作命令如图2-27所示，其他的指令可以参考：

图2-27Hash实际存储结构

如图2-28所示，哈希类型的内部编码有两种：ziplist压缩列表,hashtable哈希表。只有当存储的数据量比较小的情况下，Redis 才使用压缩列表来实现字典类型。具体需要满足两个条件：

图2-28Hash实际应用场景

Hash表使用用来存储对象数据，比如用户信息，相对于通过将对象转化为json存储到String类型中，Hash结构的灵活性更大，它可以任何添加和删除对象中的某些字段。

购物车功能

对象类型数据

比如优化之后的用户信息存储，减少数据库的关联查询导致的性能慢的问题。

Set类型

如图2-29所示，集合类型 (Set) 是一个无序并唯一的键值集合。它的存储顺序不会按照插入的先后顺序进行存储。

集合类型和列表类型的区别如下：

图2-29set类型的常用操作

Set类型的常用操作指令如下。

命令说明时间复杂度

SADD key member [member …]

添加一个或者多个元素到集合(set)里

O(N)

SCARD key

获取集合里面的元素数量

O(1)

SDIFF key [key …]

获得队列不存在的元素

O(N)

SDIFFSTORE destination key [key …]]

获得队列不存在的元素，并存储在一个关键的结果集

O(N)

SINTER key [key …]

获得两个集合的交集

O(N*M)

SINTERSTORE destination key [key …]

获得两个集合的交集，并存储在一个关键的结果集

O(N*M)

SISMEMBER key member

确定一个给定的值是一个集合的成员

O(1)

SMEMBERS key

获取集合里面的所有元素

O(N)

SMOVE source destination member

移动集合里面的一个元素到另一个集合

O(1)

SPOP key [count]

删除并获取一个集合里面的元素

O(1)

SRANDMEMBER key [count]

从集合里面随机获取一个元素

SREM key member [member …]]

从集合里删除一个或多个元素

O(N)

SUNION key [key …]]

添加多个set元素

O(N)

SUNIONSTORE destination key [key …]

合并set元素，并将结果存入新的set里面

O(N)

Set类型实际存储结构

Set在的底层数据结构以intset或者hashtable来存储。当set中只包含整数型的元素时，采用intset来存储，否则，采用hashtable存储，但是对于set来说，该hashtable的value值用于为NULL，通过key来存储元素。

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;
    uint32_t length;
    int8_t contents[];
} intset;

intset将整数元素按顺序存储在数组里，并通过二分法降低查找元素的时间复杂度。数据量大时，

依赖于“查找”的命令（如SISMEMBER）就会由于O(logn)的时间复杂度而遇到一定的瓶颈，所以数据量大时会用dict来代替intset。

但是intset的优势就在于比dict更省内存，而且数据量小的时候O(logn)未必会慢于O(1)的hash function，这也是intset存在的原因。

图2-30set类型的实际应用场景

标签管理功能

给用户添加标签。

sadd user:1:basketball game coding swing
sadd user:2:sing coding sleep basketball
...
sadd user:k:tags tag1 tag2 tag4
...

使用sinter命令，可以来计算用户共同感兴趣的标签

sinter user:1 user:2

这种标签系统在电商系统、社交系统、视频网站，图书网站，旅游网站等都有着广泛的应用。例如一个用户可能对娱乐、体育比较感兴趣，另一个用户可能对历史、新闻比较感兴趣，

这些兴趣点就是标签。有了这些数据就可以得到喜欢同一个标签的人，以及用户的共同喜好的标签，这些数据对于用户体验以及增强用户黏度比较重要。

例如一个社交系统可以根据用户的标签进行好友的推荐，已经用户感兴趣的新闻的推荐等，一个电子商务的网站会对不同标签的用户做不同类型的推荐，比如对数码产品比较感兴趣的人，

在各个页面或者通过邮件的形式给他们推荐最新的数码产品，通常会为网站带来更多的利益

相关商品信息展示

比如在电商系统中，当用户查看某个商品时，可以推荐和这个商品标签有关的商品信息。

ZSet类型

有序集合类型，顾名思义，和前面讲的集合类型的区别就是多了有序的功能。

如图2-31所示，在集合类型的基础上，有序集合类型为集合中的每个元素都关联了一个分数（浮点型），这使得我们不仅可以完成插入、删除和判断元素是否存在等集合类型支持的操作，还能获得分数最高(或最低)的前N个元素、获得指定分数范围内的元素等与分数有关的操作。

图2-31ZSet常用操作命令

ZSet的常用命令如图2-32所示，完整的操作命令，详见：

图2-32ZSet的数据存储结构

ZSet的底层数据结构采用了zipList（压缩表）和skiplist（跳跃表）组成，当同时满足以下两个条件时，有序集合采用的是ziplist存储。

如果不能满足以上任意一个条件，有序集合会采用skiplist（跳跃表）结构进行存储，如图2-33所示，zSet不只是用skiplist，实际上，它使用了dict（字典表）和zskiplist（跳跃表）同时进行数据存储。

其中zskiplistNode中*obj和Dic中*key指向同一个具体元素，所以不会存在多余的内存消耗问题。另外，backward表示后退指针，方便进行回溯。

图2-33关于跳跃表

跳表(skip list) 对标的是平衡树(AVL Tree)，是一种 插入/删除/搜索 都是 O(log n) 的数据结构。它最大的优势是原理简单、容易实现、方便扩展、效率更高。因此在一些热门的项目里用来替代平衡树，如 redis, leveldb 等。

跳表的基本思想

首先，跳表处理的是有序的链表（一般是双向链表，下图未表示双向），如下：

这个链表中，如果要搜索一个数，需要从头到尾比较每个元素是否匹配，直到找到匹配的数为止，即时间复杂度是 O(n)O(n)。同理，插入一个数并保持链表有序，需要先找到合适的插入位置，再执行插入，总计也是 O(n)O(n) 的时间。

那么如何提高搜索的速度呢？很简单，做个索引：

如上图，我们新创建一个链表，它包含的元素为前一个链表的偶数个元素。这样在搜索一个元素时，我们先在上层链表进行搜索，当元素未找到时再到下层链表中搜索。例如搜索数字 19 时的路径如下图：

先在上层中搜索，到达节点 17 时发现下一个节点为 21，已经大于 19，于是转到下一层搜索，找到的目标数字 19。

我们知道上层的节点数目为 n/2n/2，因此，有了这层索引，我们搜索的时间复杂度降为了：O(n/2)O(n/2)。同理，我们可以不断地增加层数，来减少搜索的时间：

在上面的 4 层链表中搜索 25，在最上层搜索时就可以直接跳过 21 之前的所有节点，因此十分高效。

更一般地，如果有 kk 层，我们需要的搜索次数会小于 ⌈n2k⌉+k⌈n2k⌉+k ，这样当层数 kk 增加到 ⌈log2n⌉⌈log2⁡n⌉ 时，搜索的时间复杂度就变成了 lognlog⁡n。其实这背后的原理和二叉搜索树或二分查找很类似，通过索引来跳过大量的节点，从而提高搜索效率。

动态跳表

上节的结构是“静态”的，即我们先拥有了一个链表，再在之上建了多层的索引。但是在实际使用中，我们的链表是通过多次插入/删除形成的，换句话说是“动态”的。上节的结构要求上层相邻节点与对应下层节点间的个数比是 1:2，随意插入/删除一个节点，这个要求就被被破坏了。

因此跳表（skip list）表示，我们就不强制要求 1:2 了，一个节点要不要被索引，建几层的索引，都在节点插入时由抛硬币决定。当然，虽然索引的节点、索引的层数是随机的，为了保证搜索的效率，要大致保证每层的节点数目与上节的结构相当。下面是一个随机生成的跳表：

可以看到它每层的节点数还和上节的结构差不多，但是上下层的节点的对应关系已经完全被打破了。

现在假设节点 17 是最后插入的，在插入之前，我们需要搜索得到插入的位置：

接着，抛硬币决定要建立几层的索引，伪代码如下：

randomLevel()
    lvl := 1
    -- random() that returns a random value in [0...1)
    while random() < p and lvl < MaxLevel do
        lvl := lvl + 1
    return lvl

上面的伪代码相当于抛硬币，如果是正面（random() < p）则层数加一，直到抛出反面为止。其中的 MaxLevel 是防止如果运气太好，层数就会太高，而太高的层数往往并不会提供额外的性能，

一般 MaxLevel=log1/pnMaxLevel=log1/p⁡n。现在假设 randomLevel 返回的结果是 2，那么就得到下面的结果。

如果要删除节点，则把节点和对应的所有索引节点全部删除即可。当然，要删除节点时需要先搜索得到该节点，搜索过程中可以把路径记录下来，这样删除索引层节点的时候就不需要多次搜索了

ZSet的使用场景

热点话题排名

比如想微博的热搜，就可以使用ZSet来实现。

其他数据类型介绍

在Redis中，还有一些使用得非常少的数据类型，简单给大家普及一下。

Geospatial

Geo是Redis3.2推出的一个类型，它提供了地理位置的计算功能，也就是可以计算出两个地理位置的距离。

文档：

下面演示一下Geo的基本使用，其中需要用到经纬度信息，可以从 查询。

添加模拟数据

geoadd china:city 116.40 39.90 beijing
geoadd china:city 121.47 31.23 shanghai
geoadd china:city 114.05 22.52 shengzhen
geoadd china:city 113.28 23.12 guangzhou

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