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redis 中的 String 数据结构

news 2025/8/30 12:18:46

简介

String类型在 redis 中最常见的数据类型，是二进制安全的，可以存放字符串、数值、json、图像数据，value最大数据量是 512M

二进制安全：Redis 的 string 类型是二进制安全的。所谓二进制安全，是指无论输入的数据是什么字节序列，Redis 都能准确无误地存储和返回，不会因为数据中可能包含特殊字符、编码格式等问题而对数据进行错误处理。主要原因是SDS 的存储不像 C 字符串那样以 ' \0 ' 作为字符串结束的标识。

常用命令

set < key>< value>：添加键值对
nx：当数据库中key不存在时，可以将key-value添加到数据库
xx: 当数据库key存在时，可以将key-value添加到数据库，与nx参数互斥
ex: 设置key-value添加到数据库，并设置key的超时时间(以秒钟为单位)
px:设置key-value添加到数据库，并设置key的超时时间(以豪秒钟为单位)，与ex互斥
get < key>查询对应键值
append < key>< value>：将给定的值追加到key的末尾
strlen < key>：获取值的长度
setnx < key>< value>：只有在key不存在时，设置key-value加入到数据库
setex < key> < timeout>< value>：添加键值对，同时设置过期时间(以秒为单位)
incr < key>：将key中存储的数字加1处理，只能对数字值操作。如果是空，值为1
decr < key>：将key中存储的数字减1处理，只能对数字值操作。如果是空，值为1
incrby < key>< increment>：将key中存储的数字值增加指定步长的数值,如果是空，值为步长。
(具有原子性)
decrby < key>< decrement>: 将key中存储的数字值减少指定步长的数值,如果是空，值为步长。
(具有原子性)
mset < key1>< value1>[< key2>< value2>...]：同时设置1个或多个key-value值
mget < key1>[< key2>...]：同时获取1个或多个value
msetnx < key1>< value1>[< key2>< value2>...]：当所有给定的key都不存在时，同时设置1个或
多个key-value值(具有原子性)
getrange/substr < key>< start>< end> 将给定key，获取从start(包含)到end(包含)的值
setrange < key>< offset>< value>：从偏移量offset开始，用value去覆盖key中存储的字符串值
getset< key>< value>： 对给定的key设置新值，同时返回旧值。如果key不存在，则添加一个
key-value值

SDS

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {uint8_t len;      // 已使用的字节数uint8_t alloc;    // 分配的总字节数（包含'\0'）char buf[];       // 柔性数组，存放实际的字符串内容
};

len：记录了当前字符串的长度，这样获取字符串长度的操作时间复杂度为 O(1)，而 C 字符串获取长度需要遍历到 '\0'，时间复杂度为 O(N)。
alloc：表示分配给 buf 数组的总字节数（包括字符串结束符 '\0' 占用的 1 个字节），这有助于内存管理，在需要扩展字符串时，可以预先判断是否有足够空间，减少频繁的内存重新分配。
buf：是一个柔性数组，用于存放实际的字符串内容，并且总是以 '\0' 结尾，这样可以兼容部分 C 字符串函数。

SDS的内存分配与管理

空间预分配：当 SDS 进行扩展操作时，如果扩展后长度小于 1MB，Redis 会分配两倍于所需大小的空间。例如，若原 SDS 长度为 10 字节，扩展后需 20 字节，那么实际会分配 40 字节的空间。如果扩展后长度大于等于 1MB，会额外分配 1MB 的空间。这样做可以减少频繁的内存重新分配操作，提升性能。
惰性空间释放：当 SDS 缩短时，Redis 并不会立即释放多余的空间，而是将这些空间保留在 SDS 中，等待后续可能的扩展操作。例如，从一个长度为 100 的 SDS 中删除部分内容使其长度变为 50，此时不会释放剩余 50 字节的空间，而是将 alloc 调整为 100，len 调整为 50，下次有扩展需求时可直接使用这些空间。

SDS与 c 字符串的区别及优势

获取长度效率：如前所述，C 字符串获取长度需遍历到 '\0'，时间复杂度为 O(N)，而 SDS 通过 len 字段直接获取，时间复杂度为 O(1)。在频繁获取字符串长度的场景下，SDS 性能更优。
缓冲区溢出：C 字符串在进行拼接等操作时，如果没有预先分配足够空间，很容易导致缓冲区溢出。而 SDS 在进行修改操作时，会先检查空间是否足够，若不足则会进行空间扩展，从而避免缓冲区溢出问题。
内存分配次数：由于 SDS 的空间预分配和惰性空间释放策略，相较于 C 字符串频繁的内存分配和释放，SDS 能显著减少内存分配次数，提升性能并降低内存碎片产生的概率。

应用场景

单值缓存 set key value

get key

对象缓存

set stu:001 value(json)

mset stu:001:name zhangsan stu:001:age 18 stu:001:gender 男

mget stu:001:name stu:001:age

分布式锁

setnx key:001 true //返回1代表加锁成功

setnx key:001 true //返回0代表加锁失败

//.....业务操作

del key:001 //执行完业务释放锁

set key:001 true ex 20 nx //防止程序意外终止导致死锁

计数器

incr article:read:1001

//统计文章阅读数量

分布式系统全局序列号

incrby orderid 100

//批量生成序列号

package com.pgs.redisstring;import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.params.SetParams;import java.io.*;
import java.util.Base64;public class JedisStringOperations {private static final String REDIS_HOST = "localhost";private static final int REDIS_PORT = 6379;private static final String LOCK_KEY = "distributed_lock";private static final String COUNTER_KEY = "counter";private static final String SEQUENCE_KEY = "global_sequence";public static void main(String[] args) {Jedis jedis = new Jedis(REDIS_HOST, REDIS_PORT);// 单值缓存singleValueCache(jedis);// 对象缓存objectCache(jedis);// 分布式锁distributedLock(jedis);// 计数器counter(jedis);// 分布式系统全局序列号globalSequence(jedis);jedis.close();}// 单值缓存public static void singleValueCache(Jedis jedis) {String key = "single_value_key";String value = "single_value";jedis.set(key, value);System.out.println("单值缓存：" + jedis.get(key));}// 对象缓存public static void objectCache(Jedis jedis) {String key = "object_key";User user = new User("John", 30);String serializedUser = serialize(user);jedis.set(key, serializedUser);User deserializedUser = (User) deserialize(jedis.get(key));System.out.println("对象缓存 - 姓名：" + deserializedUser.getName() + ", 年龄：" + deserializedUser.getAge());}// 分布式锁public static void distributedLock(Jedis jedis) {SetParams setParams = new SetParams();setParams.nx().ex(10);String result = jedis.set(LOCK_KEY, "locked", setParams);if ("OK".equals(result)) {try {System.out.println("获取到分布式锁，执行临界区代码...");} finally {jedis.del(LOCK_KEY);System.out.println("释放分布式锁");}} else {System.out.println("未获取到分布式锁");}}// 计数器public static void counter(Jedis jedis) {long count = jedis.incr(COUNTER_KEY);System.out.println("计数器值：" + count);}// 分布式系统全局序列号public static void globalSequence(Jedis jedis) {long sequence = jedis.incr(SEQUENCE_KEY);System.out.println("分布式系统全局序列号：" + sequence);}// 序列化对象public static String serialize(Object obj) {try {ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);oos.writeObject(obj);return Base64.getEncoder().encodeToString(bos.toByteArray());} catch (IOException e) {e.printStackTrace();return null;}}// 反序列化对象public static Object deserialize(String str) {try {byte[] data = Base64.getDecoder().decode(str);ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(data));return ois.readObject();} catch (IOException | ClassNotFoundException e) {e.printStackTrace();return null;}}
}

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