【Redis破障之路】二:Redis安裝和基本數據結構

1、安裝Redis

Redis6.0在2020年已經發布,所以我們安裝Redis3.0。😂

1.1、在Linux上安裝Redis

我們在CentOS上安裝Redis。常見的的有三種安裝方式:

  • yum/apt軟體管理軟體安裝
  • 源碼的方式進行安裝
  • 容器化安裝

我們這裡選擇第二種方式:

  • 1)下載Redis指定版本的源碼壓縮包到當前目錄
wget //download.redis.io/releases/redis-3.0.7.tar.gz
  • 2)解壓縮Redis源碼壓縮包
tar xzf redis-3.0.7.tar.gz
  • 3)建立一個redis目錄的軟連接,指向redis-3.0.7
ln -s redis-3.0.7 redis
  • 4)進入redis目錄
 cd redis
  • 5)編譯(編譯之前確保作業系統已經安裝gcc)
 make
  • 6)安裝
make install

最後可以執行redis-cli–v查看Redis的版本

redis版本

1.2、啟動Redis

有三種方法啟動Redis:默認配置、運行配置、配置文件啟動。

我們這裡用默認配置的方式啟動Redis:

redis-server

redis啟動

一般在生產環境會使用配置文件啟動的方式。

1.3、Redis命令行客戶端

Redis服務已經啟動,現在使用redis-cli來連接。

redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379

redis cli

2、Redis基本數據結構

Redis 有 5 種基礎數據結構,分別為:string (字元串)、list (列表)、set (集合)、hash (哈希) 和 zset (有序集合)。

Redis基本數據結構

2.1、字元串

字元串類型是Redis最基礎的數據結構。所有的鍵都是字元串類型,

Redis 所有的數據結構都是以唯一的 key 字元串作為名稱,然後通過這個唯一 key 值來獲取相應的 value 數據。不同類型的數據結構的差異就在於 value 的結構不一樣。

key-value

而且其他幾種數據結構都是在字元串類型基礎上構建的,所以字元串類型能為其他四種數據結構的學習奠定基礎。

除了上圖描述簡單的字元串,字元串類型的值也可以是複雜的字元串(例如JSON、XML)、數字 (整數、浮點數),甚至是二進位(圖片、音頻、影片),但是值最大不能 超過512MB。

字元串類型

2.1.1、命令

  • 設置值
set key value [ex seconds] [px milliseconds] [nx|xx]

下面操作設置鍵為Hello,值為World的鍵值對,返回結果為OK代表設置成功:

127.0.0.1:6379> set Hello World 
OK

set命令有幾個選項:

  • ex seconds:為鍵設置秒級過期時間。

  • px milliseconds:為鍵設置毫秒級過期時間。

  • nx:鍵必須不存在,才可以設置成功,用於添加。

  • xx:與nx相反,鍵必須存在,才可以設置成功,用於更新。

  • 獲取值

get key

下面操作獲取鍵Hello的值:

127.0.0.1:6379> get Hello
"World"

如果要獲取的鍵不存在,則返回nil(空):

127.0.0.1:6379> get some
(nil)
  • 批量設置值
mset key value [key value ...]

可以批量對多個字元串進行讀寫,節省網路耗時開銷。

下面操作通過mset命令一次性設置4個鍵值對:

127.0.0.1:6379> mset a 1 b 2 c 3 d 4 
OK
  • 批量獲取值
mget key [key ...] 

下面操作批量獲取了鍵a、b、c、d的值:

127.0.0.1:6379> mget a b c d
1) "1"
2) "2"
3) "3"
4) "4"
  • 計數
incr key 

incr命令用於對值做自增操作,返回結果分為三種情況:

  • 值不是整數,返回錯誤。

  • 值是整數,返回自增後的結果。

  • 鍵不存在,按照值為0自增,返回結果為1。

127.0.0.1:6379>  set age 18
OK
127.0.0.1:6379> incr age
(integer) 19

除了incr命令,Redis提供了decr(自減)、incrby(自增指定數字)、 decrby(自減指定數字)、incrbyfloat(自增浮點數)。

2.1.2、應用場景

字元串可以說是Redis應用最廣泛的數據結構,我們來看一下在實際的開發中一些典型的應用場景。

2.1.2.1、快取功能

下圖示比較典型的快取使用場景,其中Redis作為快取層,MySQL作為存儲層,絕大部分請求的數據都是從Redis中獲取。由於Redis具有支撐高並發的特性,所以快取通常能起到加速讀寫和降低後端壓力的作用。

快取示意圖

2.1.2.2、計數

許多應用都會使用Redis作為計數的基礎工具,它可以實現快速計數、 查詢快取的功能,同時數據可以非同步落地到其他數據源。例如記錄文章的閱讀次數。

2.1.2.3、共享Session

用於分散式應用的Session共享,保證用戶登錄一次即可訪問所有服務。

Session共享

2.1.2.4、分散式鎖

利用setnx命令可以實現分散式鎖,由於Redis的單執行緒命令處理機制,如果有多個客戶端同時執行setnx key value, 根據setnx的特性只有一個客戶端能設置成功,所以setnx可以作為分散式鎖的一種實現方案。

以下是最簡單的Redis分散式鎖實現示意圖:

最簡版Redis分散式鎖

2.2、哈希

Redis 的字典和 Java 語言裡面的 HashMap類似。在Redis中,哈希類型是指鍵值本身又是一個鍵值對結構,形如value={{field1,value1},…{fieldN,valueN}}

hash示意圖

2.2.1、命令

  • 設置值
hset key field value

下面為user:1添加一對field-value:

127.0.0.1:6379> hset user:1 name tom 
(integer) 1

如果設置成功會返回1,反之會返回0。此外Redis提供了hsetnx命令,它們的關係就像set和setnx命令一樣,只不過作用域由鍵變為field。

  • 獲取值
hget key field 

獲取user:1的name域(屬性)對應的值:

127.0.0.1:6379> hget user:1 name 
"tom"
  • 刪除field
hdel key field [field ...]

hdel會刪除一個或多個field,返回結果為成功刪除field的個數,例如:

127.0.0.1:6379> hdel user:1 name 
(integer) 1 
127.0.0.1:6379> hdel user:1 age 
(integer) 0
  • 批量設置或獲取field-value
hmget key field [field ...] 
hmset key field value [field value ...]

hmset和hmget分別是批量設置和獲取field-value,hmset需要的參數是key和多對field-value,hmget需要的參數是key和多個field。例如:

127.0.0.1:6379> hmset user:1 name mike age 12 city tianjin 
OK
127.0.0.1:6379> hmget user:1 name city 
1) "mike" 
2) "tianjin"

2.2.2、應用場景

2.2.2.1、存儲對象

hash的filed-value的結構非常適合用來存儲對象,field用來存儲屬性名稱,value用來存儲屬性值。在一些客戶端里也提供了json序列化器。

Redis存儲對象

2.3、列表

Redis 的列表類似於 Java 語言裡面的 LinkedList,同樣地list 的插入和刪除操作非常快,時間複雜度為 O(1),但是索引定位很慢,時間複雜度為O(n)。

那麼,同樣地,list也可以充當棧和隊列的角色。

例如,在list兩端的插入和彈出,可以模擬棧的操作:

list模擬棧的插入彈出

列表類型有兩個特點:第一、列表中的元素是有序的,這就意味著可以通過索引下標獲取某個元素或者某個範圍內的元素列表。第二、列表中的元素可以是重複的。

2.3.1、命令

列表主要有5種操作類型:

操作類型 操作
添加 rpush lpush linsert
查找 lrange lindex llen
刪除 lpop rpop lren ltrim
修改 lset
阻塞操作 blpop brpop
  • 添加操作

從右邊插入元素

rpush key value [value ...]

下面程式碼從右向左插入元素c、b、a:

127.0.0. 1:6379> rpush listkey c b a 
(integer) 3

lrange0-1命令可以從左到右獲取列表的所有元素:

127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1 
1) "c" 
2) "b" 
3) "a"

從左邊插入元素類似,不再贅述

  • 向某個元素前或者後插入元素
linsert key before|after pivot value

linsert命令會從列表中找到等於pivot的元素,在其前(before)或者後 (after)插入一個新的元素value,例如下面操作會在列表的元素b前插入 java:

127.0.0.1:6379> linsert listkey before b java 
(integer) 4

返回結果為4,代表當前命令的長度,當前列表變為:

127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1 
1) "c" 
2) "java" 
3) "b" 
4) "a"
  • 查找

獲取指定範圍內的元素列表

lrange key start end

lrange操作會獲取列表指定索引範圍所有的元素。

例如想獲取列表的第2到第4個元素:

127.0.0.1:6379> lrange listkey 1 3 
1) "java" 
2) "b" 
3) "a"

獲取列表指定索引下標的元素

lindex key index

例如當前列表最後一個元素為a:

127.0.0.1:6379> lindex listkey -1 
"a"

獲取列表長度

llen key

例如,下面示例當前列表長度為4:

127.0.0.1:6379> llen listkey 
(integer) 4
  • 刪除

從列表左側彈出元素

lpop key

從列表右側彈出

rpop key

刪除指定元素

lrem key count value
  • 修改
lset key index newValue
  • 阻塞操作

阻塞式彈出如下:

blpop key [key ...] timeout 
brpop key [key ...] timeout

blpop和brpop是lpop和rpop的阻塞版本,它們除了彈出方向不同,使用方法基本相同。

2.3.2、應用場景

2.3.2.1、消息隊列

Redis的lpush+brpop命令組合即可實現阻塞隊列,生產客戶端使用lrpush從列表左側插入元素,多個消費者客戶端使用brpop命令阻塞式的「搶」列表尾部的元素,多個客戶端保證了消費的負載均衡和高可用性。

Redis消息隊列模型

list可以靈活組合,在不同的場景使用,總結如下:

  • lpush+lpop=Stack(棧)

  • lpush+rpop=Queue(隊列)

  • lpsh+ltrim=Capped Collection(有限集合)

  • lpush+brpop=Message Queue(消息隊列)

2.4、集合

集合類似Java語言中的HashSet,集合中不允許有重複元素,並且集合中的元素是無序的,不能通過索引下標獲取元素。

集合類型

2.4.1、命令

2.4.1.1、集合內操作

  • 添加元素
sadd key element [element ...]

無法添加重複元素,添加重複元素會返回0。

  • 刪除元素
srem key element [element ...]
  • 計算元素個數
scard key
  • 從集合隨機彈出元素
spop key

2.4.1.2、集合間操作

  • 求多個集合的交集
sinter key [key ...]
  • 求多個集合的並集
suinon key [key ...]
  • 求多個集合的差集
sdiff key [key ...]

集合交並差運算

2.4.2、應用場景

2.4.2.1、標籤

集合類型比較典型的使用場景是標籤(tag)。例如一個用戶可能對娛樂、體育比較感興趣,另一個用戶可能對歷史、新聞比較感興趣,這些興趣點就是標籤。有了這些數據就可以得到喜歡同一個標籤的人,以及用戶的共 同喜好的標籤,這些數據對於用戶體驗以及增強用戶黏度比較重要。

2.4.2.2、共同關注

可以利用交集的運算,實現社交社區用戶的「共同關注」功能。

2.5、有序集合

zset 可能是 Redis 提供的最為特色的數據結構,它類似於 Java 的 SortedSet 和 HashMap 的結合體,一方面它是一個 set,保證了內部value 的唯一性,另一方面它可以給每個 value 賦予一個 score,代表這個 value 的排序權重。

有序集合

有序集合提供了獲取指定score和元素範圍查詢、計算成員排名等功能,合理的利用有序集合,能幫助

我們在實際開發中解決很多問題。

有序集合中的元素不能重複,但是score可以重複,就和一個班裡的同學學號不能重複,但是考試成績可以相同。

2.5.1、命令

2.5.1.1、集合內

  • 添加成員
zadd key score member [score member ...]

下面操作向有序集合user:rank添加用戶李四和他的score250:

127.0.0.1:6379> zadd user:ranking 250 李四
(integer) 1
  • 計算成員個數
zcard key
  • 計算某個成員的score
zscore key member
  • 計算成員的排名
zrank key member zrevrank key member
  • 刪除成員
zrem key member [member ...]

2.5.1.2、集合間的操作

  • 交集
zinterstore destination numkeys key [key ...] [weights weight [weight ...]] [aggregate sum|min|max]
  • 並集
zunionstore destination numkeys key [key ...] [weights weight [weight ...]] [aggregate sum|min|max]

2.5.2、應用場景

有序集合比較適合用於需要排行的地方。

2.5.2.1、用戶點贊統計

可以用於統計部落格、影片網站等作品的點贊數,可以根據點贊數對作品進行排行。

3、基本數據類型內部編碼

通過上面的介紹,我們已經了解了五種基本數據結構,既然叫數據結構,那麼一定是有內部的組成,就比如Java中的String由char或者byte數組組成。我們這裡簡單了解一下Redis五種基本數據結構的內部編碼。

Redis數據結構和內部編碼

3.1、字元串

字元串類型的內部編碼有3種:

  • int:8個位元組的長整型。

  • embstr:小於等於39個位元組的字元串。

  • raw:大於39個位元組的字元串。

embstr&raw

3.2、哈希

哈希類型的內部編碼有兩種:

  • ziplist(壓縮列表):當哈希類型元素個數小於hash-max-ziplist-entries 配置(默認512個)、同時所有值都小於hash-max-ziplist-value配置(默認64 位元組)時,Redis會使用ziplist作為哈希的內部實現,ziplist使用更加緊湊的結構實現多個元素的連續存儲,所以在節省記憶體方面比hashtable更加優秀。

  • hashtable(哈希表):當哈希類型無法滿足ziplist的條件時,Redis會使用hashtable作為哈希的內部實現,因為此時ziplist的讀寫效率會下降,而hashtable的讀寫時間複雜度為O(1)。

3.3、列表

列表類型的內部編碼有兩種。

  • ziplist(壓縮列表):當列表的元素個數小於list-max-ziplist-entries配置 (默認512個),同時列表中每個元素的值都小於list-max-ziplist-value配置時 (默認64位元組),Redis會選用ziplist來作為列表的內部實現來減少記憶體的使 用。

  • linkedlist(鏈表):當列表類型無法滿足ziplist的條件時,Redis會使用linkedlist作為列表的內部實現。

3.4、集合

集合類型的內部編碼有兩種:

  • intset(整數集合):當集合中的元素都是整數且元素個數小於set-max- intset-entries配置(默認512個)時,Redis會選用intset來作為集合的內部實現,從而減少記憶體的使用。

  • hashtable(哈希表):當集合類型無法滿足intset的條件時,Redis會使用hashtable作為集合的內部實現。

3.5、有序集合

有序集合類型的內部編碼有兩種:

  • ziplist(壓縮列表):當有序集合的元素個數小於zset-max-ziplist- entries配置(默認128個),同時每個元素的值都小於zset-max-ziplist-value配置(默認64位元組)時,Redis會用ziplist來作為有序集合的內部實現,ziplist 可以有效減少記憶體的使用。

  • skiplist(跳躍表):當ziplist條件不滿足時,有序集合會使用skiplist作為內部實現,因為此時ziplist的讀寫效率會下降。

跳躍表

這裡只是簡單地了解一下,未來如果有機會,會再進一步學習Redis的實現來更深入地了解Redsi基本數據結構的內部原理。


參考:

【1】:《Redis開發與運維》

【2】:掘金小冊 《Redis 深度歷險:核心原理與應用實踐》