深刻学习Redis（二），基本类型【String】剖析

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今天咱们来介绍Redis的基本数据类型

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整体来讲：String、Hash、Set、List、Zset、Hyperloglog、Geo、Stream

经常使用的数据类型：

最基本最经常使用的数据类型就是String。set 和 get 命令就是 String 的操做命令。

一、 String字符串

能够用来存储字符串，整数，浮点数。

1.一、 基本操做

设置多个值（批量操做，原子性）

设置值，如何Key存在，设置不成功

基于此可实现分布式锁。 用 del key 释放锁。

但若是释放锁的操做失败了， 致使其余节点永远获取不到锁， 怎么办？

加过时时间。 单独用 expire 加过时， 也失败了， 没法保证原子性， 怎么办？ 多参数。

set key value [expiration EX seconds|PX milliseconds][NX|XX]

（整数） 值递增

（整数） 值递减

浮点数增量

获取多个值

获取值长度

字符串追加内容

获取指定范围的字符

1.二、 存储实现原理

数据模型

set name javaHuang为例，由于 Redis 是 KV 的数据库，它是经过 hashtable 实现的（我

们把这个叫作外层的哈希）。因此每一个键值对都会有一个 dictEntry，里面指向了 key 和 value 的指针。next 指向下一个 dictEntry。源码以下：

typedef struct dictEntry {
void *key; /* key 关键字定义 */
union {
void *val; uint64_t u64; /* value 定义 */
int64_t s64; double d;
} v;
struct dictEntry *next; /* 指向下一个键值对节点 */
} dictEntry；

key 是字符串，可是 Redis 没有直接使用 C 的字符数组，而是存储在自定义的 SDS

中。

value 既不是直接做为字符串存储，也不是直接存储在 SDS 中，而是存储在

redisObject 中。实际上五种经常使用的数据类型的任何一种，都是经过 redisObject 来存储

的。

redisObject

redisObject 的定义的源码以下：

typedef struct redisObject {
unsigned type:4; /* 对象的类型， 包括： OBJ_STRING、 OBJ_LIST、 OBJ_HASH、 OBJ_SET、 OBJ_ZSET */
unsigned encoding:4; /* 具体的数据结构 */
unsigned lru:LRU_BITS; /* 24 位， 对象最后一次被命令程序访问的时间， 与内存回收有关 */
int refcount; /* 引用计数。 当 refcount 为 0 的时候， 表示该对象已经不被任何对象引用， 则能够进行垃圾回收了
*/
void *ptr; /* 指向对象实际的数据结构 */
} robj；

可使用 type 命令来查看对外的类型。

下面我来设置三种Key

而后咱们获取这三种Key的内部编码

因而咱们可知，字符串类型的内部编码有三种：

一、int，存储 8 个字节的长整型（long，2^63-1）。

二、embstr, 表明 embstr 格式的 SDS（Simple Dynamic String 简单动态字符串），

存储小于 44 个字节的字符串。

三、raw，存储大于 44 个字节的字符串（3.2 版本以前是 39 字节）。

/* object.c */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44

二、接下来咱们一块儿来探讨几个问题

2.一、什么是SDS

SDS是Redis 中字符串的实现。

在 3.2 之后的版本中，SDS 又有多种结构（sds.h）：sdshdr五、sdshdr八、sdshdr1六、

sdshdr3二、sdshdr64，用于存储不一样的长度的字符串，分别表明 2^5=32byte，

2^8=256byte，2^16=65536byte=64KB，2^32byte=4GB。

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
  uint8_t len; /* 当前字符数组的长度 */
  uint8_t alloc; /*当前字符数组总共分配的内存大小 */
  unsigned char flags; /* 当前字符数组的属性、 用来标识究竟是 sdshdr8 仍是 sdshdr16 等 */
  char buf[]; /* 字符串真正的值 */
};

2.二、为何 Redis 要用 SDS 实现字符串？

咱们知道，C 语言自己没有字符串类型（只能用字符数组 char[]实现）。

一、使用字符数组必须先给目标变量分配足够的空间，不然可能会溢出。

二、若是要获取字符长度，必须遍历字符数组，时间复杂度是 O(n)。

三、C 字符串长度的变动会对字符数组作内存重分配。

四、经过从字符串开始到结尾碰到的第一个'\0'来标记字符串的结束，所以不能保存图片、音频、视频、压缩文件等二进制(bytes)保存的内容，二进制不安全。

SDS 的特色：

一、不用担忧内存溢出问题，若是须要会对 SDS 进行扩容。

二、获取字符串长度时间复杂度为 O(1)，由于定义了 len 属性。

三、经过“空间预分配”（ sdsMakeRoomFor）和“惰性空间释放”，防止屡次重分配内存。

四、判断是否结束的标志是 len 属性（它一样以'\0'结尾是由于这样就可使用 C 语言中函数库操做字符串的函数了），能够包含'\0'。

2.三、embstr 和 raw 的区别

embstr 的使用只分配一次内存空间（由于 RedisObject 和 SDS 是连续的），而 raw须要分配两次内存空间（分别为 RedisObject 和 SDS 分配空间）。

所以与 raw 相比，embstr 的好处在于建立时少分配一次空间，删除时少释放一次空间，以及对象的全部数据连在一块儿，寻找方便。

而 embstr 的坏处也很明显，若是字符串的长度增长须要从新分配内存时，整个RedisObject 和 SDS 都须要从新分配空间，所以 Redis 中的 embstr 实现为只读。

2.四、int 和 embstr 何时转化为 raw

当 int 数 据 不 再 是 整 数 ， 或 大 小 超 过 了 long 的 范 围（2^63-1=9223372036854775807）时，自动转化为 embstr。

2.五、明明没有超过阈值，为何变成 raw 了

对于 embstr，因为其实现是只读的，所以在对 embstr 对象进行修改时，都会先转化为 raw 再进行修改。

所以，只要是修改 embstr 对象，修改后的对象必定是 raw 的，不管是否达到了 44个字节。

2.六、当长度小于阈值时，会还原吗

关于 Redis 内部编码的转换，都符合如下规律：编码转换在 Redis 写入数据时完成，且转换过程不可逆，只能从小内存编码向大内存编码转换（可是不包括从新 set）。

2.七、为何要对底层的数据结构进行一层包装呢

经过封装，能够根据对象的类型动态地选择存储结构和可使用的命令，实现节省空间和优化查询速度。

三、应用场景

缓存

String 类型

例如：热点数据缓存，对象缓存，全页缓存。能够提高热点数据的访问速度。

数据共享分布式

STRING 类型，由于 Redis 是分布式的独立服务，能够在多个应用之间共享，例如：分布式 Session

<dependency>
    <groupId>org.springframework.session</groupId>
    <artifactId>spring-session-data-redis</artifactId>
</dependency>

分布式锁

STRING 类型 setnx 方法，只有不存在时才能添加成功，返回 true。

简单代码以下:

public Boolean getLock(Object lockObject){
    jedisUtil = getJedisConnetion();
    boolean flag = jedisUtil.setNX(lockObj, 1);
    if(flag){
        expire(locakObj,10);
    }
    return flag;
}
​public void releaseLock(Object lockObject){
    del(lockObj);
}

全局 ID

INT 类型，INCRBY，利用原子性

incrby userid 1000

计数器

INT 类型，INCR 方法

例如：文章的阅读量，微博点赞数，容许必定的延迟，先写入 Redis 再定时同步到数据库。

限流

INT 类型，INCR 方法

以访问者的 IP 和其余信息做为 key，访问一次增长一次计数，超过次数则返回 false。

位统计

String 类型的 BITCOUNT（1.6.6 的 bitmap 数据结构介绍）。

字符是以 8 位二进制存储的。

set k1 a
setbit k1 6 1
setbit k1 7 0
get k1

a 对应的 ASCII 码是 97，转换为二进制数据是 01100001

b 对应的 ASCII 码是 98，转换为二进制数据是 01100010

由于 bit 很是节省空间（1 MB=8388608 bit），能够用来作大数据量的统计。

例如：在线用户统计，留存用户统计

setbit onlineusers 0 1
setbit onlineusers 1 1
setbit onlineusers 2 0

支持按位与、按位或等等操做。

BITOP AND destkey key [key ...] ， 对一个或多个 key 求逻辑并， 并将结果保存到 destkey 。
BITOP OR destkey key [key ...] ， 对一个或多个 key 求逻辑或， 并将结果保存到 destkey 。
BITOP XOR destkey key [key ...] ， 对一个或多个 key 求逻辑异或， 并将结果保存到 destkey 。
BITOP NOT destkey key ， 对给定 key 求逻辑非， 并将结果保存到 destkey 。

例子：计算出 7 天都在线的用户

BITOP "AND" "7_days_both_online_users" "day_1_online_users" "day_2_online_users" ... "day_7_online_users"

基本数据类型String基本算是分析透了，接下来还有几个经常使用的基本类型的深刻探讨，敬请期待。

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