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浅谈 Redis 数据类型

news 2025/5/14 6:52:18

浅谈 Redis 数据类型

（一）String 类型

Redis 的 String 类型 是二进制安全的，可以用来存储 文本字符串、int 类型数据和 bitmap 位图 等数据。

1. 字符串操作

适用于存储 文本、JSON、序列化数据 等任意二进制安全的内容

命令	作用	示例
`SET`	设置键值	`SET name "Alice"`
`GET`	获取值	`GET name` → `"Alice"`
`APPEND`	追加内容	`APPEND name " Smith"` → `"Alice Smith"`
`STRLEN`	获取字节长度	`STRLEN name` → `11`
`GETRANGE`	截取子串	`GETRANGE name 0 4` → `"Alice"`
`SETRANGE`	覆盖部分内容	`SETRANGE name 6 "Taylor"` → `"Alice Taylor"`
`MSET`/`MGET`	批量操作	`MSET k1 "v1" k2 "v2"`

二进制安全：可存储图片、序列化对象等任意数据
自动编码：短字符串用 embstr 编码（内存连续），长字符串用 raw 编码

SETNX 操作实现分布式锁

SETNX key value

当 key 不存在 时，设置其值为 value，并返回 OK（成功）；若 key 已存在，则不做任何操作，返回 nil（失败）
为防止锁持有者崩溃后锁无法释放，需设置超时（通过 EXPIRE）
任务完成后，主动删除键以释放锁（通过 DEL）
**【风险1】**若 SETNX 成功，但 EXPIRE 未执行（如客户端崩溃），锁会永久占用

【解决方案】使用 SET 命令的 NX 和 EX 选项 原子性加锁和设置过期时间
```
SET key value NX EX 10      # 原子操作：仅当不存在时设置，并过期时间为 10 秒
```

**【风险2】**任务未在过期时间内完成，锁被提前释放

**【解决方案】**看门狗机制：启动后台线程定期续期

EVAL "if redis.call('GET', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('EXPIRE', KEYS[1], ARGV[2]) else return 0 end" 1 key value 10         # 每 10 秒执行一次该 LUA 脚本以续期

2. 数值操作

当 String 的值是 整数或浮点数 时，Redis 提供专用命令进行原子增减

命令	作用	示例
`INCR`	原子 +1	`INCR counter` → `1`
`INCRBY`	原子 +N	`INCRBY counter 5` → `6`
`DECR`	原子 -1	`DECR counter` → `5`
`DECRBY`	原子 -N	`DECRBY counter 3` → `2`
`INCRBYFLOAT`	原子 +浮点数	`INCRBYFLOAT price 1.5` → `"3.5"`

编码优化：数值用 int 编码（固定 8 字节），浮点数用 raw。
原子性：无需事务即可避免并发冲突。

3. bitmap 位图操作

Bitmap 是 String 的扩展，通过 位（bit）操作 实现布尔统计，可用于布隆过滤器、用户状态统计等场景

命令	作用	示例
`SETBIT`	设置某位为 0/1	`SETBIT login:2023 100 1`（用户 100 登录）
`GETBIT`	获取某位的值	`GETBIT login:2023 100` → `1`
`BITCOUNT`	统计 1 的数量	`BITCOUNT login:2023` → `50`（50 人登录）
`BITOP`	位运算（AND/OR/XOR）	`BITOP AND result login:day1 login:day2`
`BITPOS`	查找第一个 0/1 位	`BITPOS login:2023 1` → `100`

内存高效：1 亿用户登录状态仅需约 12MB
高性能：位运算复杂度 O(n)，适合批量处理

4. 二进制安全与 Encoding 加速机制

Redis 的 String 类型基于简单动态字符串实现，数据按字节数组存储，不预设编码格式，读写时不会做任何转换
Redis 为 String 类型设计了多种编码格式（encoding），根据数据内容动态选择最优编码以节省内存和提高性能。通过 OBJECT ENCODING key 可查看编码类型

编码类型	适用场景	优化原理
int	存储 64 位有符号整数（如 `123`）	直接使用整数存储，避免字符串转换。
embstr	短字符串（≤44 字节，Redis 7+）	内存连续分配，减少碎片，CPU 缓存友好。
raw	长字符串（>44 字节）或二进制数据	标准 SDS 动态分配，支持大容量数据。

（二） List 类型

Redis 的 List 类型 是一个双向链表数据结构，支持在头部和尾部高效插入、删除元素，因此可以灵活实现 栈（Stack）、队列（Queue）、数组（Array） 和 阻塞队列（Blocking Queue） 的语义。

栈：LPUSH + LPOP
队列：RPUSH + LPOP
数组：LINDEX + LSET
阻塞队列：RPUSH + BRPOP

以下是详细用法解析：

1. List 作为栈（Stack）

特点：后进先出（LIFO），通过 LPUSH + LPOP 实现
适用场景：函数调用栈、撤销操作（Undo）记录
操作命令：

# 入栈（左侧插入）
LPUSH stack "task1"
LPUSH stack "task2"  # 栈内顺序: ["task2", "task1"]# 出栈（左侧弹出）
LPOP stack  # 返回 "task2"，栈剩余: ["task1"]# 查看栈顶元素（不弹出）
LINDEX stack 0  # 返回 "task1"

2. List 作为队列（Queue）

特点：先进先出（FIFO），通过 RPUSH + LPOP 实现
适用场景：任务队列、消息缓冲
操作命令：

# 入队（尾部插入）
RPUSH queue "msg1"
RPUSH queue "msg2"  # 队列顺序: ["msg1", "msg2"]# 出队（头部弹出）
LPOP queue  # 返回 "msg1"，队列剩余: ["msg2"]# 查看队列长度
LLEN queue  # 返回 1

3. List 作为数组（Array）

特点：支持按索引访问和修改，通过 LINDEX + LSET 实现
适用场景：随机访问列表元素、动态数组
操作命令：

# 初始化数组
RPUSH array "a" "b" "c"  # 数组: ["a", "b", "c"]# 按索引读取（索引从0开始）
LINDEX array 1  # 返回 "b"# 按索引修改
LSET array 1 "B"  # 数组变为: ["a", "B", "c"]# 获取全部元素
LRANGE array 0 -1  # 返回 ["a", "B", "c"]

4. List 作为阻塞队列（Blocking Queue）

特点：消费者阻塞等待新元素，通过 BRPOP/BLPOP 实现
适用场景：实时消息系统、任务调度（避免轮询）
操作命令：

# 生产者入队（尾部插入）
RPUSH bqueue "job1" "job2"# 消费者阻塞出队（从头部获取，超时时间5秒）
BRPOP bqueue 5  
# 1) 如果队列不为空，立即返回元素（如 "job1"）
# 2) 如果队列为空，阻塞 5 秒后返回nil（若期间有新元素插入则立即返回）

（三）Hash 类型

Redis 的 Hash 类型 是一个 键值对集合，适合存储对象。它比 String 类型更节省内存，且支持 字段级操作（单独读写某个字段而无需序列化整个对象）。

1. Hash 的底层结构

ziplist（压缩列表）：当字段数和字段值较小时使用，内存连续，节省空间
hashtable（哈希表）：字段较多或值较大时自动转换，查询效率 O(1)

2. 核心操作命令

（1）设置与获取字段值

命令	作用	示例
`HSET`	设置字段值	`HSET user:1 name "Alice" age 30`
`HGET`	获取字段值	`HGET user:1 name` → `"Alice"`
`HMSET`	批量设置字段	`HMSET user:1 name "Alice" age 30`
`HMGET`	批量获取字段	`HMGET user:1 name age` → `["Alice", "30"]`
`HGETALL`	获取所有字段和值	`HGETALL user:1` → `["name", "Alice", "age", "30"]`

示例：

HSET product:1001 name "iPhone" price 999 stock 50
HGET product:1001 price  # 返回 "999"
HGETALL product:1001     # 返回所有字段和值

（2）字段增减与删除

命令	作用	示例
`HINCRBY`	字段值整数增减	`HINCRBY user:1 age 1`
`HINCRBYFLOAT`	字段值浮点数增减	`HINCRBYFLOAT account:1 balance 50.5`
`HDEL`	删除字段	`HDEL user:1 age`
`HEXISTS`	判断字段是否存在	`HEXISTS user:1 name` → `1`（存在）

示例：

HINCRBY product:1001 stock -1  # 库存减1
HDEL product:1001 price        # 删除价格字段

（3）查询与统计

命令	作用	示例
`HKEYS`	获取所有字段名	`HKEYS user:1` → `["name", "age"]`
`HVALS`	获取所有字段值	`HVALS user:1` → `["Alice", "30"]`
`HLEN`	获取字段数量	`HLEN user:1` → `2`
`HSTRLEN`	获取字段值的字节长度	`HSTRLEN user:1 name` → `5`（"Alice"占 5 字节）

示例：

HKEYS product:1001   # 返回 ["name", "price", "stock"]
HLEN product:1001    # 返回 3

（4）原子操作

命令	作用	示例
`HSETNX`	字段不存在时才设置	`HSETNX user:1 email "alice@example.com"`
`HSCAN`	增量迭代字段（大数据量时避免阻塞）	`HSCAN user:1 0`

示例：

HSETNX user:1 email "alice@example.com"  # 仅当 email 不存在时设置

3. 对象的三种存储策略：单 key 存储、多 key 存储、使用 hash 类型

（1）序列化为字符串（单 Key 存储）

SET user:1000 '{"name":"Alice","age":30,"email":"alice@example.com"}'

（2）每个字段单独存储（多 Key 存储）

SET user:1000:name "Alice"
SET user:1000:age 30
SET user:1000:email "alice@example.com"

（3）使用 Hash 类型

HSET user:1000 name "Alice" age 30 email "alice@example.com"

（4）三种策略比较

维度	序列化为字符串	多 Key 存储	Hash 类型
读写效率	整体读写快，部分更新慢	部分读写快，整体查询慢	部分和批量读写均快
内存占用	低（单个 Key）	高（每个 Key 有元数据）	中（小 Hash 用 zip list）
原子性	高（整个对象原子操作）	低（需事务）	中（单字段操作原子）
字段级 TTL	不支持	支持	不支持
适用字段规模	任意	少量字段	中小规模字段
复杂结构支持	支持（JSON 等序列化方式）	需额外设计	需序列化字段值

（四）Set 类型

Redis 的 Set 类型 是一个 无序、去重的集合，底层基于哈希表实现，支持插入、删除元素以及多个集合的交并差集运算，同时提供了随机返回指定个数元素的功能。

1. Set 的核心特性

无序性：元素没有固定顺序，遍历时顺序不确定
唯一性：自动去重，重复插入的元素会被忽略

2. 常用命令

（1）基本操作

命令	作用	示例
`SADD`	添加元素（自动去重）	`SADD tags "redis" "db"`
`SREM`	删除元素	`SREM tags "db"`
`SMEMBERS`	获取所有元素	`SMEMBERS tags`
`SISMEMBER`	判断元素是否存在	`SISMEMBER tags "redis"` → `1`（存在）
`SCARD`	获取集合元素数量	`SCARD tags` → `2`
`SRANDMEMBER`	随机返回元素（可指定数量）	`SRANDMEMBER tags 2`

示例：

SADD users:1000:followers "user1" "user2" "user3"
SMEMBERS users:1000:followers  # 返回 ["user1", "user2", "user3"]
SISMEMBER users:1000:followers "user1"  # 返回 1（存在）

（2）集合运算

命令	作用	示例
`SINTER`	返回多个集合的交集	`SINTER set1 set2`
`SUNION`	返回多个集合的并集	`SUNION set1 set2`
`SDIFF`	返回第一个集合与其他集合的差集	`SDIFF set1 set2`
`SINTERSTORE`	存储交集到新集合	`SINTERSTORE result set1 set2`
`SUNIONSTORE`	存储并集到新集合	`SUNIONSTORE result set1 set2`
`SDIFFSTORE`	存储差集到新集合	`SDIFFSTORE result set1 set2`

示例：

SADD group1 "user1" "user2" "user3"
SADD group2 "user2" "user3" "user4"
SINTER group1 group2  # 返回 ["user2", "user3"]（共同成员）
SDIFF group1 group2   # 返回 ["user1"]（仅在 group1 中的成员）

（3）随机返回元素

Redis 的 Set 类型提供了 随机返回元素 的功能，适用于 抽奖、随机推荐、随机选取样本 等场景

SRANDMEMBER key count

key：Set 的键名
count：指定返回的元素数量
- count > 0：返回 不重复 的元素（最多返回整个 Set 的大小）
- count < 0：返回元素可能重复（适用于允许重复抽奖的场景）

（五）Sorted Set 类型

Redis 中的 Sorted Set 类型 也是一种集合类型，集合中的元素可以按照自定义分值排序，底层基于跳表实现。

1. 特点

唯一性：成员（member）不可重复，但分数（score）可重复
有序性：按 score 排序（默认升序），相同 score 按字典序排序

2. 核心命令

成员操作命令

命令功能
ZADD key score member 添加/更新成员（支持NX/XX/INCR选项）
ZREM key member 删除指定成员
ZINCRBY key increment member 增加成员分数
ZSCORE key member 获取成员分数

命令	功能
`ZADD key score member`	添加/更新成员（支持`NX`/`XX`/`INCR`选项）
`ZREM key member`	删除指定成员
`ZINCRBY key increment member`	增加成员分数
`ZSCORE key member`	获取成员分数

查询命令

命令	功能
`ZRANGE key start stop`	按分数升序返回成员（`WITHSCORES`显示分数）
`ZREVRANGE key start stop`	按分数降序返回成员
`ZRANGEBYSCORE key min max`	返回分数在 `[min,max]` 区间的成员

排名统计命令

命令功能
ZRANK key member 获取成员升序排名（从 0 开始）
ZREVRANK key member 获取成员降序排名
ZCARD key 返回成员总数
ZCOUNT key min max 统计分数范围内的成员数
集合运算命令

计算多个有序集合的并集存储（交集存储）

ZUNIONSTORE/ZINTERSTORE destkey numkeys key [key ...] [WEIGHTS weight [weight ...]] [AGGREGATE SUM|MIN|MAX]
- 必选参数
  - destkey：存储结果的键名
  - numkeys：参与计算的集合数量（后续需对应数量的 key）
  - key：参与计算的集合键名（至少一个）
- 可选参数
  - WEIGHTS：为每个集合的分值设置权重（默认权重为 1）
  - AGGREGATE：合并重复成员的分值策略（SUM 求和、MIN 取最小、MAX 取最大，默认 SUM）
- 示例
```
ZADD scores1 10 "Alice" 20 "Bob"
ZADD scores2 5 "Alice" 30 "Charlie"
ZUNIONSTORE result 2 scores1 scores2 WEIGHTS 2 3 SUM
```
- Alice 的分值： 10 * 2 + 5 * 3 = 35
- Bob 的分值 = 20 * 2 = 40
- Charlie 的分值 = 30 * 3 = 90
```
1) "Alice"   35
2) "Bob"     40
3) "Charlie" 90
```

命令	功能
`ZRANK key member`	获取成员升序排名（从 0 开始）
`ZREVRANK key member`	获取成员降序排名
`ZCARD key`	返回成员总数
`ZCOUNT key min max`	统计分数范围内的成员数

3. 底层实现

Sorted Set 是 Redis 中最复杂的数据结构之一。它通过 跳表和哈希表 的混合实现，兼顾了高效查询和动态排序的能力。

编码方式	数据结构	触发条件	特点
`ziplist`	压缩列表 `[member1, score1, member2, score2, ...]`	元素数量 ≤ `zset-max-ziplist-entries`（默认128）且所有元素长度 ≤ `zset-max-ziplist-value`（默认64字节）	内存紧凑，但增删效率低（O(n)）
`skiplist + dict`	跳表 + 哈希表	不满足 `ziplist` 条件时自动转换	支持高效查询和范围操作（O(log n)）

哈希表与跳表的协同

跳表保证有序性，哈希表加速单成员查询，两者互补
内存与 CPU 的权衡

小数据用 ziplist 节省内存，大数据用 skiplist 提升操作效率

（1）跳表的结构

跳表（Skip List）是一种基于 多层有序链表 的数据结构，通过 概率平衡 实现高效的动态操作（平均 O(log n) 时间复杂度）
跳表由多层链表组成，每层链表都是有序的，但高层链表是低层链表的【快速通道】：
- 最底层链表：包含所有元素的有序链表
- 高层链表：每层节点数约为下一层的一半，形成跳跃路径

（2）查找原理：平均 O(log n)（最坏 O(n)）

从最高层头节点开始，向右遍历：
- 若当前节点的下一个节点值 ≤ 目标值，则继续向右
- 若下一个节点值 > 目标值，则向下移动到下一层
重复上述过程，直到最底层，找到目标节点或确认不存在

（3）插入原理：平均 O(log n)

查找插入位置，记录每一层的前驱节点，即插入位置左侧的节点
随机生成层高，每个新插入节点的层数由 概率决定，通常采用 “抛硬币”策略：
1. 初始层高：新节点至少在第 0 层（最底层，包含所有节点）
2. 逐层晋升：每次“抛硬币” 若为“正面”（概率通常为 50%）则层数 +1；否则停止
3. Redis 优化：降低晋升概率（p=0.25）和限制最大层数（32），平衡性能与内存开销
在每一层（从生成的最高层到最底层）链表中插入新节点，并更新前后节点的指针