Redis的五大數據類型實現原理

1. 對象的類型與編碼

　　Redis使用前面說的五大數據類型來表示鍵和值，每次在Redis資料庫中創建一個鍵值對時，至少會創建兩個對象，一個是鍵對象，一個是值對象，而Redis中的每個對象都是由 redisObject 結構來表示：

typedef struct redisObject{
     //類型
     unsigned type:4;
     //編碼
     unsigned encoding:4;
     //指向底層數據結構的指針
     void *ptr;
     //引用計數
     int refcount;
     //記錄最後一次被程式訪問的時間
     unsigned lru:22;
 
}robj

① type屬性

　　對象的type屬性記錄了對象的類型，這個類型就是前面講的五大數據類型：

圖片名稱

　　可以通過如下命令來判斷對象類型：

type key

圖片名稱

　　注意：在Redis中，鍵總是一個字元串對象，而值可以是字元串、列表、集合等對象，所以我們通常說的鍵為字元串鍵，表示的是這個鍵對應的值為字元串對象，我們說一個鍵為集合鍵時，表示的是這個鍵對應的值為集合對象。

② encoding 屬性和 *prt 指針

　　對象的 prt 指針指向對象底層的數據結構，而數據結構由 encoding 屬性來決定。

圖片名稱

　　而每種類型的對象都至少使用了兩種不同的編碼：

圖片名稱

　　可以通過如下命令查看值對象的編碼：

OBJECT ENCODING  key

　　比如 string 類型：

圖片名稱

2. 字元串對象

　　字元串是Redis最基本的數據類型，不僅所有key都是字元串類型，其它幾種數據類型構成的元素也是字元串。注意字元串的長度不能超過512M。

　　① 編碼

　　字元串對象的編碼可以是int，raw或者embstr。

　　1、int 編碼：保存的是可以用 long 類型表示的整數值。

　　2、raw 編碼：保存長度大於44位元組的字元串。

　　3、embstr 編碼：保存長度小於44位元組的字元串。

圖片名稱

　　由上可以看出，int 編碼是用來保存整數值，raw編碼是用來保存長字元串，而embstr是用來保存短字元串。其實 embstr 編碼是專門用來保存短字元串的一種優化編碼，raw 和 embstr 的區別：

圖片名稱

圖片名稱

　　embstr與raw都使用redisObject和sds保存數據，區別在於，embstr的使用只分配一次記憶體空間（因此redisObject和sds是連續的），而raw需要分配兩次記憶體空間（分別為redisObject和sds分配空間）。因此與raw相比，embstr的好處在於創建時少分配一次空間，刪除時少釋放一次空間，以及對象的所有數據連在一起，尋找方便。而embstr的壞處也很明顯，如果字元串的長度增加需要重新分配記憶體時，整個redisObject和sds都需要重新分配空間，因此redis中的embstr實現為只讀。

　　ps：Redis中對於浮點數類型也是作為字元串保存的，在需要的時候再將其轉換成浮點數類型。

　　② 編碼的轉換

　　當 int 編碼保存的值不再是整數，或大小超過了long的範圍時，自動轉化為raw。

　　對於 embstr 編碼，由於 Redis 沒有對其編寫任何的修改程式（embstr 是只讀的），在對embstr對象進行修改時，都會先轉化為raw再進行修改，因此，只要是修改embstr對象，修改後的對象一定是raw的，無論是否達到了44個位元組。

3. 列表對象

　　list 列表，它是簡單的字元串列表，按照插入順序排序，你可以添加一個元素到列表的頭部（左邊）或者尾部（右邊），它的底層實際上是個鏈表結構。

　　① 編碼

　　列表對象的編碼可以是 ziplist(壓縮列表) 和 linkedlist(雙端鏈表)。

　　比如我們執行以下命令，創建一個 key = 『numbers』，value = 『1 three 5』 的三個值的列表。

rpush numbers 1 "three" 5

　　ziplist 編碼表示如下：

圖片名稱

　　linkedlist表示如下：

圖片名稱

　　② 編碼轉換

　　當同時滿足下面兩個條件時，使用ziplist（壓縮列表）編碼：

　　1、列表保存元素個數小於512個

　　2、每個元素長度小於64位元組

　　不能滿足這兩個條件的時候使用 linkedlist 編碼。

　　上面兩個條件可以在redis.conf 配置文件中的 list-max-ziplist-value選項和 list-max-ziplist-entries 選項進行配置。

4. 哈希對象

　　哈希對象的鍵是一個字元串類型，值是一個鍵值對集合。

　　① 編碼

　　哈希對象的編碼可以是 ziplist 或者 hashtable。

　　當使用ziplist，也就是壓縮列表作為底層實現時，新增的鍵值對是保存到壓縮列表的表尾。比如執行以下命令：

hset profile name "Tom"
hset profile age 25
hset profile career "Programmer"

　　如果使用ziplist，profile 存儲如下：

圖片名稱

　　當使用 hashtable 編碼時，上面命令存儲如下：

圖片名稱

　　hashtable 編碼的哈希表對象底層使用字典數據結構，哈希對象中的每個鍵值對都使用一個字典鍵值對。

　　在前面介紹壓縮列表時，我們介紹過壓縮列表是Redis為了節省記憶體而開發的，是由一系列特殊編碼的連續記憶體塊組成的順序型數據結構，相對於字典數據結構，壓縮列表用於元素個數少、元素長度小的場景。其優勢在於集中存儲，節省空間。

　　② 編碼轉換

　　和上面列表對象使用 ziplist 編碼一樣，當同時滿足下面兩個條件時，使用ziplist（壓縮列表）編碼：

　　1、列表保存元素個數小於512個

　　2、每個元素長度小於64位元組

　　不能滿足這兩個條件的時候使用 hashtable 編碼。第一個條件可以通過配置文件中的 set-max-intset-entries 進行修改。

5. 集合對象

　集合對象 set 是 string 類型（整數也會轉換成string類型進行存儲）的無序集合。注意集合和列表的區別：集合中的元素是無序的，因此不能通過索引來操作元素；集合中的元素不能有重複。

　　① 編碼

　　集合對象的編碼可以是 intset 或者 hashtable。

　　intset 編碼的集合對象使用整數集合作為底層實現，集合對象包含的所有元素都被保存在整數集合中。

　　hashtable 編碼的集合對象使用 字典作為底層實現，字典的每個鍵都是一個字元串對象，這裡的每個字元串對象就是一個集合中的元素，而字典的值則全部設置為 null。這裡可以類比Java集合中HashSet 集合的實現，HashSet 集合是由 HashMap 來實現的，集合中的元素就是 HashMap 的key，而 HashMap 的值都設為 null。

SADD numbers 1 3 5

圖片名稱

SADD Dfruits "apple" "banana" "cherry"

圖片名稱

　　② 編碼轉換

　　當集合約時滿足以下兩個條件時，使用 intset 編碼：

　　1、集合對象中所有元素都是整數

　　2、集合對象所有元素數量不超過512

　　不能滿足這兩個條件的就使用 hashtable 編碼。第二個條件可以通過配置文件的 set-max-intset-entries 進行配置。

6. 有序集合對象

　　和上面的集合對象相比，有序集合對象是有序的。與列表使用索引下標作為排序依據不同，有序集合為每個元素設置一個分數（score）作為排序依據。

　　① 編碼

　　有序集合的編碼可以是 ziplist 或者 skiplist。

　　ziplist 編碼的有序集合對象使用壓縮列表作為底層實現，每個集合元素使用兩個緊挨在一起的壓縮列表節點來保存，第一個節點保存元素的成員，第二個節點保存元素的分值。並且壓縮列表內的集合元素按分值從小到大的順序進行排列，小的放置在靠近表頭的位置，大的放置在靠近表尾的位置。

ZADD price 8.5 apple 5.0 banana 6.0 cherry

圖片名稱

圖片名稱

　skiplist 編碼的有序集合對象使用 zet 結構作為底層實現，一個 zset 結構同時包含一個字典和一個跳躍表：

typedef struct zset{
     //跳躍表
     zskiplist *zsl;
     //字典
     dict *dice;
} zset;

　　字典的鍵保存元素的值，字典的值則保存元素的分值；跳躍表節點的 object 屬性保存元素的成員，跳躍表節點的 score 屬性保存元素的分值。

　　這兩種數據結構會通過指針來共享相同元素的成員和分值，所以不會產生重複成員和分值，造成記憶體的浪費。

　　說明：其實有序集合單獨使用字典或跳躍表其中一種數據結構都可以實現，但是這裡使用兩種數據結構組合起來，原因是假如我們單獨使用 字典，雖然能以 O(1) 的時間複雜度查找成員的分值，但是因為字典是以無序的方式來保存集合元素，所以每次進行範圍操作的時候都要進行排序；假如我們單獨使用跳躍表來實現，雖然能執行範圍操作，但是查找操作有 O(1)的複雜度變為了O(logN)。因此Redis使用了兩種數據結構來共同實現有序集合。

　　② 編碼轉換

　　當有序集合對象同時滿足以下兩個條件時，對象使用 ziplist 編碼：

　　1、保存的元素數量小於128；

　　2、保存的所有元素長度都小於64位元組。

　　不能滿足上面兩個條件的使用 skiplist 編碼。以上兩個條件也可以通過Redis配置文件zset-max-ziplist-entries 選項和 zset-max-ziplist-value 進行修改。

7. 五大數據類型的應用場景

　　對於string 數據類型，因為string 類型是二進位安全的，可以用來存放圖片，影片等內容，另外由於Redis的高性能讀寫功能，而string類型的value也可以是數字，可以用作計數器（INCR,DECR），比如分散式環境中統計系統的在線人數，秒殺等。

　　對於 hash 數據類型，value 存放的是鍵值對，比如可以做單點登錄存放用戶資訊。

　　對於 list 數據類型，可以實現簡單的消息隊列，另外可以利用lrange命令，做基於redis的分頁功能

　　對於 set 數據類型，由於底層是字典實現的，查找元素特別快，另外set 數據類型不允許重複，利用這兩個特性我們可以進行全局去重，比如在用戶註冊模組，判斷用戶名是否註冊；另外就是利用交集、並集、差集等操作，可以計算共同喜好，全部的喜好，自己獨有的喜好等功能。

　　對於 zset 數據類型，有序的集合，可以做範圍查找，排行榜應用，取 TOP N 操作等。

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