1. Redis介紹

Redis 是一個(gè)高性能的鍵值存儲(chǔ)系統(tǒng)，支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

包含五種基本類型 String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（集合）、Zset（有序集合），和三種特殊類型 Geo（地理位置）、HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計(jì)）、Bitmaps（位圖）。

每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是為了解決特定問題而設(shè)計(jì)的，適用不同的場(chǎng)景。想要用好Redis，必須了解底層實(shí)現(xiàn)原理和使用技巧，同時(shí)結(jié)合具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和需求進(jìn)行選擇和使用。無論是工作還是面試中，這些必備的知識(shí)。

下面就詳細(xì)介紹一下每種數(shù)據(jù)類型的使用方式、實(shí)現(xiàn)原理和適用場(chǎng)景。

2. String（字符串）

String（字符串）是Redis中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，它可以存儲(chǔ)任意類型的數(shù)據(jù)，包括數(shù)字、文本、序列化的對(duì)象等。Redis中的字符串最大可以存儲(chǔ)512MB的數(shù)據(jù)。

使用方式

字符串類型的操作是最基本的，包括設(shè)置值、獲取值、修改值、追加值等。字符串類型支持的操作包括：

應(yīng)用場(chǎng)景

• 緩存：將計(jì)算結(jié)果、數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果或者配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Redis中，可以提高應(yīng)用的響應(yīng)速度和吞吐量。
• 計(jì)數(shù)器：使用Redis的自增和自減操作，實(shí)現(xiàn)簡單的計(jì)數(shù)器功能，如網(wǎng)站的訪問次數(shù)統(tǒng)計(jì)
• 限流：使用Redis的incr和expire命令，實(shí)現(xiàn)固定窗口算法的流量控制，防止系統(tǒng)過載。
• 分布式鎖：使用SETNX操作實(shí)現(xiàn)分布式鎖，保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程訪問臨界資源。
• 會(huì)話管理：將用戶會(huì)話信息存儲(chǔ)在Redis中，可以實(shí)現(xiàn)分布式Session。

內(nèi)部編碼

Redis字符串的內(nèi)部編碼有三種：

1. int編碼：當(dāng)字符串長度小于等于12字節(jié)并且字符串可以表示為整數(shù)時(shí)，Redis會(huì)使用int編碼。這樣可以節(jié)省內(nèi)存，并且在執(zhí)行一些命令時(shí)可以直接進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
2. embstr編碼：當(dāng)字符串長度小于等于39字節(jié)時(shí)，Redis會(huì)使用embstr編碼。這種編碼方式會(huì)將字符串和存儲(chǔ)它的結(jié)構(gòu)體一起分配在內(nèi)存中，這樣可以減少內(nèi)存碎片和結(jié)構(gòu)體的開銷。
3. raw編碼：當(dāng)字符串長度大于39字節(jié)或者字符串不能表示為整數(shù)時(shí)，Redis會(huì)使用raw編碼。這種編碼方式直接將字符串存儲(chǔ)在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，沒有進(jìn)行任何優(yōu)化。

3. Hash（哈希）

使用方式

哈希類型是一種鍵值對(duì)的集合，其中鍵值對(duì)的值可以是字符串、列表或者其他哈希類型。哈希類型支持的操作包括：

應(yīng)用場(chǎng)景

• 存儲(chǔ)對(duì)象：將對(duì)象的屬性和屬性值存儲(chǔ)在哈希類型中，可以很方便地進(jìn)行查詢和更新操作，比如常見的用戶信息就適合使用哈希類型存儲(chǔ)。

內(nèi)部編碼

Redis哈希類型的內(nèi)部編碼有兩種：

1. ziplist（壓縮列表）：當(dāng)Hash類型的元素比較少，且元素的大小比較?。ㄐ∮?4字節(jié)）時(shí)，Redis采用ziplist作為Hash類型的內(nèi)部編碼。ziplist是一種緊湊的、壓縮的列表結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省內(nèi)存空間。但是，ziplist只能進(jìn)行線性查找，不支持快速的隨機(jī)訪問。
2. hashtable（字典）：當(dāng)Hash類型的元素比較多，或者元素的大小比較大（大于64字節(jié)）時(shí)，Redis采用hashtable作為Hash類型的內(nèi)部編碼。hashtable是一種基于鏈表的哈希表結(jié)構(gòu)，可以快速地進(jìn)行隨機(jī)訪問。但是，hashtable需要占用更多的內(nèi)存空間。

4. List（列表）

使用方式

Redis List類型是一個(gè)有序的字符串列表，支持在列表的頭部或尾部添加元素，也支持在列表任意位置插入或刪除元素。支持的操作包括：

使用場(chǎng)景

Redis List類型由于支持在列表的頭部或尾部添加元素，也支持在列表任意位置插入或刪除元素，因此非常適合以下場(chǎng)景：

• 消息隊(duì)列：Redis List類型常被用作輕量級(jí)的消息隊(duì)列，生產(chǎn)者將消息插入隊(duì)列尾部，消費(fèi)者從隊(duì)列頭部彈出消息進(jìn)行處理，可以使用LPUSH、RPUSH、BLPOP、BRPOP等命令實(shí)現(xiàn)。
• 時(shí)間序列：使用Redis的LPUSH和RPUSH命令，將時(shí)間序列的數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序添加到列表的頭部或尾部，然后使用LRANGE命令，查詢一段時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列的查詢。
• 排行榜：Redis List類型可以用于實(shí)現(xiàn)排行榜功能，將每個(gè)用戶的得分作為元素值插入到列表中，使用LINSERT、LREM、LINDEX等命令進(jìn)行排名操作，使用LRANGE命令查詢排名前幾的用戶，可以使用LPUSH、LINSERT、LREM、LINDEX、LRANGE等命令實(shí)現(xiàn)。
• 計(jì)數(shù)器：Redis List類型可以將每個(gè)元素視為計(jì)數(shù)器的值，可以使用LPUSH、RPUSH、LINDEX、LREM等命令實(shí)現(xiàn)。
• 最近訪問記錄：Redis List類型可以用于記錄最近訪問的記錄，將最新的訪問記錄插入列表頭部，當(dāng)列表長度超過設(shè)定的值時(shí)，使用LTRIM命令刪除最舊的記錄，可以使用LPUSH、LINDEX、LTRIM等命令實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)部編碼

Redis List類型內(nèi)部編碼有兩種，分別是ziplist和linkedlist。

• ziplist

ziplist是一種特殊的編碼方式，它可以將小數(shù)據(jù)量的列表存儲(chǔ)在一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存塊中，節(jié)省了內(nèi)存空間，同時(shí)還可以提高存取效率。

ziplist編碼的列表最大長度為2^16-1個(gè)元素，每個(gè)元素可以是字符串類型、整數(shù)類型或浮點(diǎn)數(shù)類型。在ziplist中，每個(gè)元素都被存儲(chǔ)為一個(gè)字節(jié)數(shù)組，并包含一個(gè)前綴和一個(gè)后綴，用于標(biāo)識(shí)該元素的類型和長度。

• linkedlist

linkedlist是一種常規(guī)的雙向鏈表結(jié)構(gòu)，它可以存儲(chǔ)任意長度的列表，并且支持高效的插入和刪除操作。在linkedlist中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含了一個(gè)指向前一個(gè)節(jié)點(diǎn)和后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針，以及一個(gè)存儲(chǔ)元素?cái)?shù)據(jù)的指針。

linkedlist適用于存儲(chǔ)大數(shù)量的列表，它沒有像ziplist那樣的內(nèi)存限制，但是會(huì)占用更多的內(nèi)存空間。

5. Set（集合）

使用方式

Redis Set（集合）是一個(gè)無序的字符串集合，其中每個(gè)元素都是唯一的，不允許重復(fù)。Redis Set類型支持的操作包括：

使用場(chǎng)景

Redis Set類型的使用場(chǎng)景包括：

• 標(biāo)簽系統(tǒng)：使用Set類型存儲(chǔ)每個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的對(duì)象列表，以便快速查找包含特定標(biāo)簽的對(duì)象?？梢允褂肧ADD、SREM、SISMEMBER、SMEMBERS等命令實(shí)現(xiàn)。
• 好友關(guān)系：將每個(gè)用戶的好友列表作為一個(gè)集合，可以使用SADD、SREM、SISMEMBER、SDIFF、SINTER、SUNION等命令實(shí)現(xiàn)。
• 共同好友：使用SINTER命令計(jì)算出兩個(gè)用戶的共同好友，可以使用SADD、SINTER、SUNION等命令實(shí)現(xiàn)。
• 排名系統(tǒng)：將每個(gè)用戶的得分作為元素值插入到集合中，使用ZADD、ZREM、ZRANK、ZSCORE等命令進(jìn)行排名操作，使用ZREVRANGE命令查詢排名前幾的用戶，可以使用ZADD、ZREM、ZRANK、ZSCORE、ZREVRANGE等命令實(shí)現(xiàn)。
• 訂閱關(guān)系：使用Set類型存儲(chǔ)用戶訂閱的內(nèi)容，以便快速獲取用戶訂閱的內(nèi)容。

總的來說，Set類型適用于需要存儲(chǔ)一組不重復(fù)的數(shù)據(jù)，并支持集合操作的場(chǎng)景。

內(nèi)部編碼

Redis Set類型的內(nèi)部編碼有兩種：

1. intset（整數(shù)集合）：當(dāng)Set類型只包含整數(shù)類型的數(shù)據(jù)，并且元素?cái)?shù)量較少（小于512個(gè)）時(shí)，Redis會(huì)使用intset作為Set類型的內(nèi)部編碼。intset是一種緊湊的、壓縮的整數(shù)集合結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省內(nèi)存空間，并且支持快速的查找、插入和刪除操作。在intset中，所有元素都按照從小到大的順序排列，并且可以使用不同的編碼方式（16位、32位、64位）存儲(chǔ)不同大小范圍內(nèi)的整數(shù)。
2. hashtable（字典）：當(dāng)Set類型包含字符串類型或者元素?cái)?shù)量較多時(shí)，Redis會(huì)使用hashtable作為Set類型的內(nèi)部編碼。hashtable是一種基于鏈表的哈希表結(jié)構(gòu)，可以快速地進(jìn)行隨機(jī)訪問、插入和刪除操作。在hashtable中，每個(gè)元素都被存儲(chǔ)為一個(gè)字符串，并且使用哈希函數(shù)將字符串映射到一個(gè)桶中，然后在桶中進(jìn)行查找、插入和刪除操作。

在實(shí)際使用中，當(dāng)Set類型的元素全部為整數(shù)類型時(shí)，建議使用intset編碼；而當(dāng)Set類型的元素包含非整數(shù)類型時(shí)，才使用hashtable編碼。

6. Zset（有序集合）

使用方式

Redis中的Zset（有序集合）是一個(gè)鍵值對(duì)集合，其中每個(gè)元素都關(guān)聯(lián)一個(gè)分值（score），通過分值進(jìn)行排序，可以看作是一個(gè)字典（dict）和一個(gè)跳躍列表（skip list）的混合體，它可以存儲(chǔ)多個(gè)相同的元素，但每個(gè)元素必須有一個(gè)唯一的score值。

支持的操作包括：

使用場(chǎng)景

Redis Zset是一種有序集合，其使用場(chǎng)景主要包括以下幾個(gè)方面：

• 排行榜：使用Zset類型可以實(shí)現(xiàn)排行榜功能，將每個(gè)用戶的得分作為元素值插入到集合中，使用ZADD、ZINCRBY、ZREM等命令進(jìn)行排名操作，使用ZRANGE、ZREVRANGE命令查詢排名前幾的用戶。
• 最近訪問記錄：使用Zset類型可以用于記錄最近訪問的記錄，將最新的訪問記錄插入集合中，使用ZREMRANGEBYRANK命令刪除最舊的記錄，使用ZRANGE命令查詢最近訪問的記錄。
• 計(jì)數(shù)器：Redis Zset可以用于實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器功能，比如統(tǒng)計(jì)某個(gè)頁面的訪問次數(shù)、統(tǒng)計(jì)某個(gè)廣告的點(diǎn)擊量等。將頁面ID或廣告ID作為成員(member)存儲(chǔ)在Zset中，以訪問次數(shù)或點(diǎn)擊量作為分?jǐn)?shù)(score)存儲(chǔ)。
• 好友關(guān)系：Redis Zset可以用于存儲(chǔ)用戶之間的關(guān)注關(guān)系以及用戶之間的互動(dòng)，比如點(diǎn)贊、評(píng)論等。可以將用戶ID作為成員(member)存儲(chǔ)在Zset中，將時(shí)間戳或者其他標(biāo)識(shí)作為分?jǐn)?shù)(score)存儲(chǔ)，以此記錄用戶之間的互動(dòng)情況。

內(nèi)部編碼

Redis Zset的內(nèi)部編碼有兩種：

1. ziplist編碼：當(dāng)Zset中元素個(gè)數(shù)小于128個(gè)，并且所有元素的長度都小于64字節(jié)時(shí)，Redis會(huì)使用ziplist編碼存儲(chǔ)Zset。這種編碼方式可以節(jié)省內(nèi)存空間，并且可以提高存取效率，但是不支持隨機(jī)訪問和范圍查詢。
2. skiplist編碼：當(dāng)Zset中元素個(gè)數(shù)大于等于128個(gè)，或者有一個(gè)元素的長度大于64字節(jié)時(shí)，Redis會(huì)使用skiplist編碼存儲(chǔ)Zset。這種編碼方式支持高效的隨機(jī)訪問和范圍查詢，但是需要占用更多的內(nèi)存空間。

7. Geo（地理位置）

使用方式

Redis Geo（地理位置）是一個(gè)鍵值對(duì)集合，其中每個(gè)元素都包含一個(gè)經(jīng)度和緯度，可以用于存儲(chǔ)地理位置信息并支持基于位置的搜索。Redis Geo支持的操作包括：

Redis Geo類型適用于需要存儲(chǔ)地理位置信息并支持基于位置的搜索的場(chǎng)景，比如附近的人、附近的商家等。

使用場(chǎng)景

Redis Geo類型的使用場(chǎng)景如下：

1. 位置服務(wù)：用于存儲(chǔ)地理位置信息，如餐廳、商店、機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院等的經(jīng)緯度信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢指定范圍內(nèi)的所有商家信息。
2. 車輛監(jiān)控：用于車輛位置跟蹤和監(jiān)控，可以將車輛的經(jīng)緯度信息存儲(chǔ)在 Redis 中，并通過 Geo 庫提供的命令查詢車輛的位置，以及在指定半徑內(nèi)的其他車輛信息。
3. 物流配送：用于存儲(chǔ)配送員的位置信息，以及需要配送的訂單信息的經(jīng)緯度信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢配送員在指定范圍內(nèi)的訂單信息，以提高配送效率。
4. 電商推薦：用于存儲(chǔ)用戶的位置信息，以及商家和商品的經(jīng)緯度信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢指定范圍內(nèi)的商家和商品信息，以提供更加精準(zhǔn)的推薦服務(wù)。
5. 游戲地圖：用于存儲(chǔ)游戲地圖的位置信息和玩家的位置信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢玩家在游戲地圖上的位置，以及在指定半徑內(nèi)的其他玩家信息，以提供更加豐富的游戲體驗(yàn)。
6. 社交應(yīng)用：用于存儲(chǔ)用戶的位置信息，以及附近的其他用戶的位置信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢指定范圍內(nèi)的用戶信息，以提供更加精準(zhǔn)的社交服務(wù)。

內(nèi)部編碼

Redis Geo類型內(nèi)部使用zset來存儲(chǔ)地理位置信息，其中元素的score值為經(jīng)度，member值為經(jīng)緯度組合的字符串。在使用GEORADIUS和GEORADIUSBYMEMBER命令搜索元素時(shí)，Redis會(huì)構(gòu)建一個(gè)跳躍表，以實(shí)現(xiàn)高效的搜索。

8. HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計(jì)）

使用方式

Redis HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計(jì)）是一種基于概率統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于估計(jì)大型數(shù)據(jù)集合的基數(shù)（不重復(fù)元素的數(shù)量），以及對(duì)多個(gè)集合進(jìn)行并、交運(yùn)算等。HyperLogLog的優(yōu)點(diǎn)是可以使用極少的內(nèi)存空間，同時(shí)可以保證較高的準(zhǔn)確性。

每個(gè) HyperLogLog 鍵只需要花費(fèi) 12 KB 內(nèi)存，就可以計(jì)算接近 2^64 個(gè)不同元素的基數(shù)。

使用場(chǎng)景

HyperLogLog的使用場(chǎng)景主要包括以下幾個(gè)方面：

• 用戶去重：使用HyperLogLog可以對(duì)海量的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行去重，快速地統(tǒng)計(jì)出不重復(fù)的用戶數(shù)量。
• 網(wǎng)站UV統(tǒng)計(jì)：使用HyperLogLog可以對(duì)網(wǎng)站的訪問日志進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出每天、每周、每月的獨(dú)立訪客數(shù)量。
• 廣告點(diǎn)擊統(tǒng)計(jì)：使用HyperLogLog可以對(duì)廣告的點(diǎn)擊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出獨(dú)立點(diǎn)擊用戶的數(shù)量，以及對(duì)多個(gè)廣告進(jìn)行并、交運(yùn)算等。
• 數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化：使用HyperLogLog可以對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重，減少查詢的數(shù)據(jù)量，提高查詢效率。
• 分布式計(jì)算：使用HyperLogLog可以在分布式系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、并、交等操作，以支持分布式計(jì)算。

使用HyperLogLog可以大大減少內(nèi)存占用和計(jì)算時(shí)間，是處理大數(shù)據(jù)量去重計(jì)數(shù)的有效工具。

內(nèi)部編碼

Redis HyperLogLog類型的內(nèi)部編碼使用的"稀疏矩陣"和”稠密矩陣“。

當(dāng)計(jì)數(shù)較少時(shí)，采用”稀疏矩陣“，其中絕大部分元素都是0。計(jì)數(shù)增多后，超過閾值后，會(huì)轉(zhuǎn)換成”稠密矩陣“。

9. Bitmaps（位圖）

使用方式

Redis Bitmaps（位圖）是一種緊湊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用于表示一個(gè)只有0和1的數(shù)組。位圖可以用于高效地存儲(chǔ)大規(guī)模的布爾值，以及進(jìn)行位運(yùn)算、位圖圖形化等操作。Redis Bitmaps支持的操作包括：

使用場(chǎng)景

Redis Bitmaps適用于需要高效地存儲(chǔ)大規(guī)模的布爾值，并進(jìn)行位運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)等操作的場(chǎng)景。比如：

• 統(tǒng)計(jì)在線用戶數(shù)：使用Bitmaps類型來表示用戶的在線狀態(tài)，例如一個(gè)bit位表示一個(gè)用戶，當(dāng)用戶登錄時(shí)將對(duì)應(yīng)的bit位置為1，當(dāng)用戶退出時(shí)將其位置為0。這樣可以非常方便地進(jìn)行在線用戶的統(tǒng)計(jì)。
• 黑白名單統(tǒng)計(jì)：在網(wǎng)絡(luò)安全中，可以使用位圖記錄IP地址的訪問情況、黑白名單等信息。
• 統(tǒng)計(jì)用戶訪問行為：例如將每個(gè)頁面或功能點(diǎn)表示為一個(gè)bit位，用戶訪問時(shí)將對(duì)應(yīng)的bit位置為1，未訪問則為0。這樣就可以方便地統(tǒng)計(jì)用戶的訪問習(xí)慣，了解用戶對(duì)產(chǎn)品的喜好和熱點(diǎn)等信息。
• 布隆過濾器：這是最常用的場(chǎng)景，布隆過濾器是一種用于快速判斷某個(gè)元素是否在集合中的算法，在大數(shù)據(jù)量場(chǎng)景下其效率非常高。Redis的Bitmaps類型可以用來實(shí)現(xiàn)布隆過濾器，節(jié)約存儲(chǔ)空間，并提高查詢效率。

內(nèi)部編碼

Redis Bitmaps類型的內(nèi)部編碼使用了一種稱為“壓縮位圖”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它通過使用兩個(gè)數(shù)組來存儲(chǔ)位圖數(shù)據(jù)：一個(gè)存儲(chǔ)實(shí)際位的值，另一個(gè)存儲(chǔ)每個(gè)字節(jié)中1的個(gè)數(shù)。這種編碼方式可以大大壓縮位圖數(shù)據(jù)的大小。