面试中常常问到的Redis七种数据类型，你都真正了解吗？

前言

Redis不是一个简单的键值对存储，它其实是一个支持各类类型数据结构的存储。在传统的键值存储中，是将字符串键关联到字符串值，可是在Redis中，这些值不只限于简单的字符串，还能够支持更复杂的数据结构。下面就是Redis支持的数据结构：

• 字符串（String）：二进制安全字符串。
• 列表（List）：根据插入顺序排序的字符串元素列表，基于链表实现。
• 集合（Set）：惟一的乱序的字符串元素的集合。
• 有序集合（Sorted Set）：与集合相似，可是每一个字符串元素都与一个称为score的数字相关联。 元素老是按其score排序，而且能够检索必定score范围的元素。
• 哈希（Hash）：由字段与值相关联组成的映射，字段和值都是字符串。
• 位图（Bitmap）:像操做位数组同样操做字符串值，能够设置和清除某个位，对全部为1的位进行计数，找到第一个设置1的位，找到第一个设置0的位等等。
• HyperLogLogs：一种几率数据结构，使用较小的内存空间来统计惟一元素的数量，偏差小于1％。

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键（Key）

键是二进制安全的，这意味着您可使用任何二进制序列做为键，能够是OneMoreStudy这样的字符串，也可使图片文件的内容，空字符串也是有效的键。不过，还有一些其余规则：

• 不要使用过长的键，好比一个1KB的键。不只是多占内存方面的问题，而是在数据集中查找键可能须要进行一些耗时的键比较。若是真的有比较大的键，先对它进行哈希（好比：MD5、SHA1）是一个好主意。
• 也不要使用太短的键，好比：OMS100f，相对于one-more-study:100:fans，后者更具备可读性。可能会占用更多内存，可是相对于值所占的内存，键所增长的内存仍是小不少的。咱们要找到一个平衡点，不长也不短。
• 多个字段以冒号分隔，一个字段内多个单词以连词符或点分隔，好比：one-more-study:100:fans，或者one.more.study:100:fans。
• 键容许的最大值为512MB。

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字符串（String）

字符串类型是和键关联的最简单的类型。它是Memcached中惟一的数据类型，所以对于新手来讲，在Redis中使用它也是很容易的。键是字符串类型，当咱们也使用字符串类型做为值时，咱们会能够从一个字符串映射到另外一个字符串。 字符串数据类型有不少应用场景，例如缓存HTML片断或页面。

下面简单介绍一下字符串的命令（在redis-cli中使用）：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> get one-more-key
"OneMoreStudy"

使用SET和GET命令来设置和查询字符串值的方式。须要注意的是，若是当前键已经和字符串值相关联，SET命令将会替换已存储在键中的现有值。字符串能够是任意的二进制数据，好比jpeg图像。字符串最多不能大于512MB。SET命令还有一些实用的可选参数，好比：

> set one-more-key Java nx   #若是key存在，则设置失败。
(nil)
> set one-more-key Java xx   #若是key存在，才设置成功。
OK

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虽然字符串是Redis的基本值，但也可使用它们执行一些实用的操做。 好比：

> set one-more-counter 50
OK
> incr one-more-counter   #自增长1
(integer) 51
> incr one-more-counter   #自增长1
(integer) 52
> incrby one-more-counter 5   #自增长5
(integer) 57

INCR命令将字符串值解析为整数，将其自增长1，最后将得到的值设置为新值。 还有其余相似的命令，例如INCRBY，DECR和DECRBY等命令。 INCR命令是原子操做，即时有多个客户端同时同一个key的INCR命令，也不会进入竞态条件。好比，上面的例子先设置one-more-counter的值为50，即便两个客户端同时发出INCR命令，那么最后的值也确定是52。

可使用MSET和MGET命令在单个命令中设置或查询多个键的值，对于减小延迟也颇有用。好比：

> mset a 1 b 2 c 3
OK
> mget a b c
1) "1"
2) "2"
3) "3"

使用MGET命令时，Redis返回一个值的数组。

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使用DEL命令能够删除键和相关联的值，存在指定的键则返回1，不存在指定的键则返回0。使用EXISTS命令判断Redis中是否存在指定的键，存在指定的键则返回1，不存在指定的键则返回0。好比：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> exists one-more-key
(integer) 1
> del one-more-key
(integer) 1
> exists one-more-key
(integer) 0

使用TYPE命令，能够返回存储在指定key的值的数据类型，好比：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> type one-more-key
string
> del one-more-key
(integer) 1
> type one-more-key
none

在讨论更复杂的数据结构以前，咱们须要讨论另外一个功能，该功能不管值类型是什么都适用，它就是EXPIRE命令。 它能够为键设置到期时间，当超过这个到期时间后，该键将自动销毁，就像对这个键调用了DEL命令同样。好比：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> expire one-more-key 5
(integer) 1
> get one-more-key #马上调用
"OneMoreStudy"
> get one-more-key #5秒钟后调用
(nil)

上面的例子，适用了EXPIRE命令设置了过时时间，也可使用PERSIST命令移除键的过时时间，这个键将持久保持。除了EXPIRE命令，还可使用SET命令设置过时时间，好比：

> set one-more-key OneMoreStudy ex 10 #设置过时时间为10秒
OK
> ttl one-more-key
(integer) 9

上面的例子，设置了一个字符串值OneMoreStudy的one-more-key，该键的到期时间为10秒。以后，调用TTL命令以检查该键的剩余生存时间。

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到期时间可使用秒或毫秒精度进行设置，但到期时间的分辨率始终为1毫秒。实际上，Redis服务器上存储的不是到期时间长度，而是该键到期的时间。

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列表（List）

Redis列表是使用链表实现的，这就意味着在头部或尾部增长或删除一个的元素的时间复杂度是O(1)，很是快的。不过，按索引查询对应元素的时间复杂度就是O(n)，慢不少。若是想快速查询大量数据，可使用有序集合，后面会有介绍。

LPUSH命令将一个新元素添加到列表的左侧（顶部），而RPUSH命令将一个新元素添加到列表的右侧（底部）。最后，LRANGE命令能够从列表中按范围提取元素。好比：

> rpush one-more-list A
(integer) 1
> rpush one-more-list B
(integer) 2
> lpush one-more-list first
(integer) 3
> lrange one-more-list 0 -1
1) "first"
2) "A"
3) "B"

LRANGE命令须要另外两个参数，要返回的第一个元素的索引和最后一个元素的索引。若是索引为负值，Redis将从末尾开始计数，-1是列表的最后一个元素，-2是列表的倒数第二个元素，依此类推。

LPUSH和RPUSH命令支持多个参数，可使用一次命令添加多个元素，好比：

> rpush one-more-list 1 2 3 4 5 "last"
(integer) 9
> lrange one-more-list 0 -1
1) "first"
2) "A"
3) "B"
4) "1"
5) "2"
6) "3"
7) "4"
8) "5"
9) "last"

在Redis列表上，也能够移除并返回元素。 与LPUSH和RPUSH命令，对应的就是LPOP和RPOP命令，LPOP命令是将列表的左侧（顶部）的元素移除并返回，RPOP命令是将列表的右侧（底部）的元素移除并返回。好比：

> rpush one-more-list a b c
(integer) 3
> rpop one-more-list
"c"
> rpop one-more-list
"b"
> rpop one-more-list
"a"

咱们添加了三个元素，并移除并返回了三个元素，此时列表为空，没有任何元素。若是再使用RPOP命令，会返回一个NULL值：

> rpop one-more-list
(nil)

使用RPUSH和RPOP命令，或者LPUSH和LPOP命令能够实现栈的功能，使用LPUSH和RPOP命令，或者RPUSH和LPOP命令能够实现队列的功能。也能够实现生产者和消费者模式，好比多个生产者使用LPUSH命令将任务添加到列表中，多个消费者使用RPOP命令将任务从列表中取出。可是，有时列表可能为空，没有任何要处理的任务，所以RPOP命令仅返回NULL。在这种状况下，消费者被迫等待一段时间，而后使用RPOP命令重试。这就暴露了有几个缺点：

1. 客户端和服务端之间能够处理无用的命令，由于在列表为空时的全部请求将没法完成任何实际工做，它们只会返回NULL。
2. 因为消费者在收到NULL以后会等待一段时间，所以会增长任务处理的延迟。为了减少延迟，咱们能够在两次调用RPOP之间等待更少的时间，这就扩大了更多对Redis的无用调用。

有什么办法能够解决呢？使用BRPOP和BLPOP的命令，它们和RPOP和LPOP命令相似，惟一的区别是：若是列表为空时，命令会被阻塞，直到有新元素添加到列表中，或指定的超时时间到了时，它们才会返回到调用方。好比：

> brpop tasks 5

它含义是，列表为空时，等待列表中的元素，但若是5秒钟后没有新的元素被添加，则返回。您能够将超时时间传入0，表示永远等待元素添加。也能够传入多个列表，这时会按参数前后顺序依次检查各个列表，返回第一个非空列表的尾部元素。另外还有如下3点须要注意的：

1. 当列表为空，而且有多个客户端在等待时，有一个新的元素被添加到列表中，它会被第一个等待的客户端获取到，以此类推。
2. 返回值与RPOP命令相比有所不一样，它是一个包含两个元素的数组，包含key和对应的元素，由于BRPOP和BLPOP命令可以阻止等待来自多个列表的元素。
3. 超过了超时时间，会返回NULL。

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列表的建立和删除都是由Redis自动完成的，当尝试向不存在的键添加元素时，Redis会自动建立一个空的列表；当最后一个元素被移除时，Redis会自动删除这个列表。这不是特定于列表的，它适用于由多个元素组成的全部Redis数据类型，好比集合、有序集合、哈希，它们都有3条规则：

1. 当咱们将元素添加到聚合数据类型时，若是目标键不存在，则在添加元素以前会建立一个空的聚合数据类型。好比：

> del one-more-list
(integer) 1
> lpush one-more-list 1 2 3
(integer) 3

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可是，在键存在时，就不能操做错误的数据类型了，好比：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> lpush one-more-key 1 2 3
(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
> type one-more-key
string

1. 当咱们从聚合数据类型中删除元素时，若是该值保持为空，则key将自动销毁。好比：

> lpush one-more-list 1 2 3
(integer) 3
> exists one-more-list
(integer) 1
> lpop one-more-list
"3"
> lpop one-more-list
"2"
> lpop one-more-list
"1"
> exists one-more-list
(integer) 0

1. 当对应key不存在，而且调用只读命令（如LLEN命令，获取列表长度）或写命令（如LPOP命令）时，都会返回空聚合数据类型的结果。好比：

> del one-more-list
(integer) 0
> llen one-more-list
(integer) 0
> lpop one-more-list
(nil)

Redis为了追求高性能，列表的内部实现不是一个简单的链表，这里先卖个关子，后续的文章会详细介绍。

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集合（Set）

集合是一个字符串的无序集合，SADD命令能够将新元素添加到集合中。还能够对集合进行许多其余操做，例如：判断给定元素是否已存在、执行多个集合之间的交集、并集或差等等。好比：

> sadd one-more-set 1 2 3
(integer) 3
> smembers one-more-set
1) "1"
2) "3"
3) "2"

在上面的例子中，在集合中添加了三个元素，并让Redis返回全部元素。 正如你所见，返回的元素是没有排序的。在每次调用时，元素的顺序都有可能不同。

还可使用SISMEMBER命令判断给定元素是否已存在，好比：

> sismember one-more-set 3
(integer) 1
> sismember one-more-set 30
(integer) 0

在上面的例子中，3在集合中，因此返回1；而30不在集合中，因此返回0。

可使用SINTER命令，计算出多个集合的交集；使用SUNION命令，计算多个集合的并集；使用SPOP命令，移除并返回集合中的一个随机元素；使用SCARD命令，计算集合中的元素的数量。好比：

> sadd one-more-set1 1 2 3
(integer) 3
> sadd one-more-set2 2 3 4
(integer) 3
> sinter one-more-set1 one-more-set2 #交集
1) "3"
2) "2"
> sunion one-more-set1 one-more-set2 #并集
1) "1"
2) "3"
3) "2"
4) "4"
> spop one-more-set1 #随机移除一个元素
"3"
> scard one-more-set1 #元素数量
(integer) 2

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有序集合（Sorted Set）

有序集合是一种相似于集合和哈希之间混合的数据类型。像集合同样，有序集合中由惟一的、非重复的字符串元素组成，所以从某种意义上说，有序集合也是一个集合。可是集合中的元素是没有排序的，而有序集合中的每一个元素都与一个称为分数（score）的浮点值相关联，这就是为何有序集合也相似于哈希的缘由，由于每一个元素都映射到一个值。有序集合的排序规则以下：

• 若是A和B是两个具备不一样分数的元素，那么若是A.分数>B.分数，则A>B。
• 若是A和B的分数彻底相同，那么若是A字符串在字典排序上大于B字符串，则A>B。 A和B字符串不能相等，由于有序集合中的元素都是惟一的。

咱们来举个例子，把王者荣耀战队的名字和积分添加到有序集合中，其中把战队的名字做为值，把战队的积分做为分数。

> zadd kpl 12 "eStarPro"
(integer) 1
> zadd kpl 12 "QGhappy"
(integer) 1
> zadd kpl 10 "XQ"
(integer) 1
> zadd kpl 8 "EDG.M"
(integer) 1
> zadd kpl 8 "RNG.M"
(integer) 1
> zadd kpl 4 "TES"
(integer) 1
> zadd kpl 2 "VG"
(integer) 1

如上所示，ZADD命令和SADD命令类似，可是多了一个额外的参数（在要添加的元素的前面）做为分数。ZADD命令也支持多个参数，虽然在上面的例子中未使用它，但你也能够指定多个分数和值对。使用有序集合，快速地返回按其积分排序的战队列表，由于实际上它们已经被排序了。

须要注意的是，为了快速获取有序集合中的元素，每次添加元素的时间复杂度都为O(log(N))，这是由于有序集合是同时使用跳跃表和字典来实现的，具体原理这里先卖个关子，后续的文章会详细介绍。

可使用ZRANGE命令按照升序获取对应的值，好比：

> zrange kpl 0 -1
1) "VG"
2) "TES"
3) "EDG.M"
4) "RNG.M"
5) "XQ"
6) "QGhappy"
7) "eStarPro"

0和-1表明查询从第一个到最后一个的元素。还可使用ZREVRANGE命令按照降序获取对应的值，好比：

> zrevrange kpl 0 -1
1) "eStarPro"
2) "QGhappy"
3) "XQ"
4) "RNG.M"
5) "EDG.M"
6) "TES"
7) "VG"

加上WITHSCORES参数，就能够连同分数一块儿返回，好比：

> zrange kpl 0 -1 withscores
 1) "VG"
 2) "2"
 3) "TES"
 4) "4"
 5) "EDG.M"
 6) "8"
 7) "RNG.M"
 8) "8"
 9) "XQ"
10) "10"
11) "QGhappy"
12) "12"
13) "eStarPro"
14) "12"

有序集合还有更强大的功能，好比在分数范围内操做，让咱们获取小于10（含）的战队，使用ZRANGEBYSCORE命令：

> zrangebyscore kpl -inf 10
1) "VG"
2) "TES"
3) "EDG.M"
4) "RNG.M"
5) "XQ"

这就是获取分数从负无穷到10所对应的值，一样的咱们也能够获取分数从4到10所对应的值：

> zrangebyscore kpl 4 10
1) "TES"
2) "EDG.M"
3) "RNG.M"
4) "XQ"

另外有用的命令：ZRANK命令，它能够返回指定值的升序排名（从0开始）；ZREVRANK命令，它能够返回指定值的降序排名（从0开始），好比：

> zrank kpl "EDG.M"
(integer) 2
> zrevrank kpl "EDG.M"
(integer) 4

有序集合的分数是随时更新的，只要对已有的有序集合调用ZADD命令，就会以O(log(N))时间复杂度更新其分数和排序。这样，当有大量更新时，有序集合是合适的。因为这种特性，常见的场景是排行榜，能够方便地显示排名前N位的用户和用户在排行榜中的排名。

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哈希（Hash）

Redis的哈希和人们指望的“哈希”结构是同样的，它是一个无序哈希，内部存储了不少键值对，好比：

> hmset one-more-fans:100 name Lily age 25
OK
> hget one-more-fans:100 name
"Lily"
> hget one-more-fans:100 age
"25"
> hgetall one-more-fans:100
1) "name"
2) "Lily"
3) "age"
4) "25"

尽管哈希很容易用来表示对象，可是实际上能够放入哈希中的字段数是没有实际限制的，所以您能够以更多种的不一样方式使用哈希。除了HGET命令获取单个字段对应的值，也可使用HMSET命令获取多个字段及对应的值，它返回的是一个数组，好比：

> hmget one-more-fans:100 name age non-existent-field
1) "Lily"
2) "25"
3) (nil)

还可使用HINCRBY命令，为指定字段的值作增量，好比：

> hget one-more-fans:100 age
"25"
> hincrby one-more-fans:100 age 3
(integer) 28
> hget one-more-fans:100 age
"28"

Redis哈希的实现结构，和Java中的HashMap是同样的，也是“数组+链表”的结构，当发生数组位置碰撞是，就会将碰撞的元素用链表串起来。不过Redis为了追求高性能，rehash的方式不太同样，这里先卖个关子，后续的文章会详细介绍。

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位图（Bitmap）

位图不是实际的数据类型，而是在String类型上定义的一组面向位的操做。 因为字符串是二进制安全的，而且最大长度为512MB，所以能够设置多达2^32个不一样的位。位图操做分为两类：固定单个位操做，好比将一个位设置为1或0或获取其值；对位组的操做，好比计算给定位范围内设置位的数量。

位图的最大优势之一是，它们在存储信息时一般能够节省大量空间。例如，在以增量用户ID位标识表示用户是否要接收新闻通信，仅使用512 MB内存就能够记住40亿用户的一位信息。

使用SETBIT和GETBIT命令来设置和获取指定位，好比：

> setbit one-more-key 10 1
(integer) 0
> getbit one-more-key 10
(integer) 1
> getbit one-more-key 11
(integer) 0

SETBIT命令将位号做为其第一个参数，将其设置为1或0的值做为其第二个参数。若是位号超出当前字符串长度，该命令将会自动扩大字符串。GETBIT命令只是返回指定位号的位的值，若是位号超出存储的字符串长度则会返回0。

对位组的操做有如下3个命令：

1. BITOP命令能够在不一样的字符串之间执行按位运算，提供的位运算有与、或、非和异或。
2. BITCOUNT命令能够统计指定范围内位数为1的个数。
3. BITPOS命令能够查找指定范围内为0或1的第一位。

> set one-more-key "\x13\x7f" #二进制为0001 0011 0111 1111
OK
> bitcount one-more-key #整个字符串中1的位数
(integer) 10
> bitcount one-more-key 0 0 #第一个字符（0001 0011）中1的位数
(integer) 3
> bitcount one-more-key 1 1 #第二个字符（0111 1111）中1的位数
(integer) 7
> bitpos one-more-key 0 #整个字符串中第一个0位
(integer) 0
> bitpos one-more-key 1 #整个字符串中第一个1位
(integer) 3
> bitpos one-more-key 1 0 0 #第一个字符（0001 0011）中第一个1位
(integer) 3
> bitpos one-more-key 1 1 1 #第二个字符（0111 1111）中第一个1位
(integer) 9

位图能够应用于各种实时分析，也能够节省空间高效地存储位信息。好比，记录用户天天的签到数据，每个位表示用户是否签到过，这样就能够计算出某个时间段用户签到了几回，某个时间段用户第一次签到是哪一天。

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HyperLogLogs

HyperLogLog是一种几率数据结构，用于统计惟一元素的数量，也能够理解为估计集合中元素的个数。

一般状况下，对惟一元素进行统计数量时，须要使用与要统计的元素数量成比例的内存量，由于须要记住过去已经看到的元素，以免屡次对其进行统计。可是，有一组算法能够之内存换取精度，最终会获得带有标准偏差的估计数量，在Redis的HyperLogLogs中，该偏差小于1％。

这个算法的神奇之处在于，再也不须要使用与所统计元素数量成比例的内存量，而可使用恒定数量的内存。在最坏的状况下占据12KB的内存空间，Redis对HyperLogLog的存储进行了优化，在计数比较少时，占据的内存空间会更小，这里先卖个关子，后续的文章会详细介绍其中原理。

在集合中，能够将每一个元素添加到集合中，并使用SCARD命令获取集合中的元素数量，由于SADD命令不会从新添加现有元素，因此元素都是惟一的。HyperLogLog的操做和集合比较相似，使用PFADD命令将元素添加到HyperLogLog中，相似于集合的SADD命令；使用PFCOUNT命令获取HyperLogLog中的惟一元素的当前近似值数量，相似于集合的SCARD命令。好比：

> pfadd one-more-hll a b c d e
(integer) 1
> pfcount one-more-hll 
(integer) 5

Redis中的HyperLogLog尽管在技术上是不一样的数据结构，但被编码为字符串，所以能够调用GET命令来序列化HyperLogLog，而后调用SET命令来将其反序列化回服务器。

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总结

Redis提供更加丰富的数据结构，键（Key）和字符串（String），都是二进制安全的字符串；列表（List），根据插入顺序排序的字符串元素列表，基于链表实现；集合（Set），惟一的乱序的字符串元素的集合；有序集合（Sorted Set），与集合相似，可是每一个字符串元素都与一个称为score的数字相关联；哈希（Hash），由字段与值相关联组成的映射，字段和值都是字符串；位图（Bitmap），像操做位数组同样操做字符串值，能够设置和清除某个位，对全部为1的位进行计数，找到第一个设置1的位，找到第一个设置0的位等等；HyperLogLogs，一种几率数据结构，使用较小的内存空间来统计惟一元素的数量，偏差小于1％。

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