万丈高楼平地起 ——Redis 基础数据结构

Redis 有 5 种基础数据结构，分别为：string (字符串)、list (列表)、set (集合)、hash (哈希) 和 zset (有序集合)。

1、string (字符串)

字符串内部结构

Redis 的字符串是动态字符串，是能够修改的字符串，内部结构实现上相似于 Java 的ArrayList，采用预分配冗余空间的方式来减小内存的频繁分配，如图中所示，内部为当前字符串实际分配的空间 capacity 通常要高于实际字符串长度 len。当字符串长度小于 1M 时，扩容都是加倍现有的空间，若是超过 1M，扩容时一次只会多扩 1M 的空间。须要注意的是字符串最大长度为 512M。

键值对

jedis.set(STR,STR);
        Assert.assertTrue(jedis.exists(STR));
        Assert.assertEquals(STR,jedis.get(STR));
        jedis.del(STR);

批量键值对

能够批量对多个字符串进行读写，节省网络耗时开销

jedis.mset(STR+1,STR+1,STR+2,STR+2);
        String[] mKey = new String[]{STR + 1, STR + 2};
        List<String> mStr = jedis.mget(mKey);
        Assert.assertEquals(2,mStr.size());
        Assert.assertEquals(CollectionUtil.newArrayList(mKey),mStr);
        jedis.del(mKey);

过时和 set 命令扩展

能够对 key 设置过时时间，到点自动删除，这个功能经常使用来控制缓存的失效时间。

jedis.set(STR,STR);
        jedis.expire(STR,2); //  2s 后过时
        Thread.sleep(2000);
        Assert.assertFalse(jedis.exists(STR));
        jedis.setex(STR,2,STR); //  2s 后过时
        Thread.sleep(2000);
        Assert.assertFalse(jedis.exists(STR));
        Long setnx = jedis.setnx(STR, STR);// 若是 key 不存在就执行 set 建立
        Assert.assertEquals(1,setnx.longValue());
        setnx = jedis.setnx(STR,STR+1); // 由于 key 已经存在，因此 set 建立不成功
        Assert.assertEquals(0,setnx.longValue());
        jedis.del(STR);

计数

若是 value 值是一个整数，还能够对它进行自增操做。自增是有范围的，它的范围是signed long 的最大最小值，超过了这个值，Redis 会报错

jedis.set(STR,"0");
        jedis.incr(STR);
        Assert.assertEquals("1",jedis.get(STR));
        jedis.incrBy(STR,5);
        Assert.assertEquals("6",jedis.get(STR));
        jedis.set(STR,Long.MAX_VALUE + StrUtil.EMPTY);
        try {
            jedis.incr(STR);
        }catch (Exception e){
            Assert.assertEquals(JedisDataException.class,e.getClass());
        }
        jedis.del(STR);

字符串是由多个字节组成，每一个字节又是由 8 个 bit 组成，如此即可以将一个字符串当作不少 bit 的组合，这即是 bitmap「位图」数据结构。

2、list (列表)

Redis 的列表至关于 Java 语言里面的 LinkedList，注意它是链表而不是数组。这意味着list 的插入和删除操做很是快，时间复杂度为 O(1)，可是索引定位很慢，时间复杂度为O(n)，这点让人很是意外。

当列表弹出了最后一个元素以后，该数据结构自动被删除，内存被回收。

Redis 的列表结构经常使用来作异步队列使用。将须要延后处理的任务结构体序列化成字符串塞进 Redis 的列表，另外一个线程从这个列表中轮询数据进行处理。

右边进左边出：队列

jedis.rpush(BOOKS,"python","java","golang");
        Assert.assertEquals(3,jedis.llen(BOOKS).longValue());
        Assert.assertEquals("python",jedis.lpop(BOOKS));
        Assert.assertEquals("java",jedis.lpop(BOOKS));
        Assert.assertEquals("golang",jedis.lpop(BOOKS));
        Assert.assertEquals(null,jedis.lpop(BOOKS));

右边进右边出：栈

Assert.assertEquals(3,jedis.rpush(BOOKS,"python","java","golang").longValue());
        Assert.assertEquals("golang",jedis.rpop(BOOKS));
        Assert.assertEquals("java",jedis.rpop(BOOKS));
        Assert.assertEquals("python",jedis.rpop(BOOKS));
        Assert.assertEquals(null,jedis.rpop(BOOKS));

慢操做

lindex 至关于 Java 链表的 get(int index)方法，它须要对链表进行遍历，性能随着参数index 增大而变差。 ltrim 跟的两个参数 start_index 和 end_index 定义了一个区间，在这个区间内的值要保留，区间以外通通砍掉。咱们能够经过 ltrim 来实现一个定长的链表，这一点很是有用。index 能够为负数，index=-1 表示倒数第一个元素，一样 index=-2 表示倒数第二个元素

Assert.assertEquals(3,jedis.rpush(BOOKS, "python", "java", "golang").longValue());
        Assert.assertEquals("java",jedis.lindex(BOOKS,1)); //  O(n) 慎用
        Assert.assertEquals(CollectionUtil.newArrayList("python", "java", "golang"),
                jedis.lrange(BOOKS,0,-1)); //  O(n) 慎用
        jedis.ltrim(BOOKS,1,-1);
        Assert.assertEquals(CollectionUtil.newArrayList( "java", "golang"),
                jedis.lrange(BOOKS,0,-1)); //  O(n) 慎用
        jedis.ltrim(BOOKS,1,0); // 是清空了整个列表，由于区间范围长度为负
        Assert.assertEquals(0,jedis.llen(BOOKS).longValue());

3、hash (字典)

Redis 的字典至关于 Java 语言里面的 HashMap，它是无序字典。内部实现结构上同Java 的 HashMap 也是一致的，一样的数组 + 链表二维结构。第一维 hash 的数组位置碰撞时，就会将碰撞的元素使用链表串接起来。

hash字典数据结构

不一样的是，Redis 的字典的值只能是字符串，另外它们 rehash 的方式不同，由于Java 的 HashMap 在字典很大时，rehash 是个耗时的操做，须要一次性所有 rehash。Redis 为了高性能，不能堵塞服务，因此采用了渐进式 rehash 策略。

渐进式rehash

渐进式 rehash 会在 rehash 的同时，保留新旧两个 hash 结构，查询时会同时查询两个hash 结构，而后在后续的定时任务中以及 hash 的子指令中，按部就班地将旧 hash 的内容一点点迁移到新的 hash 结构中。当 hash 移除了最后一个元素以后，该数据结构自动被删除，内存被回收。

hash 结构也能够用来存储用户信息，不一样于字符串一次性须要所有序列化整个对象，hash 能够对用户结构中的每一个字段单独存储。这样当咱们须要获取用户信息时能够进行部分获取。而以整个字符串的形式去保存用户信息的话就只能一次性所有读取，这样就会比较浪费网络流量。

hash 也有缺点，hash 结构的存储消耗要高于单个字符串，到底该使用 hash 仍是字符串，须要根据实际状况再三权衡。

jedis.hset(BOOKS,"java","think in java");
        jedis.hset(BOOKS,"golang","concurrency in go");
        jedis.hset(BOOKS,"python","python cookbook");
        Assert.assertEquals(3,jedis.hlen(BOOKS).longValue());
        Map<String, String> books = jedis.hgetAll(BOOKS);
        Assert.assertEquals(3,books.size());
        Assert.assertEquals(jedis.hget(BOOKS,"java"),books.get("java"));
        jedis.hset(BOOKS,"golang","learning go programming" );
        Assert.assertEquals("learning go programming",jedis.hget(BOOKS,"golang"));
        jedis.hdel(BOOKS,"java","golang","python");
        jedis.hmset( BOOKS,books); // 批量 set
        Assert.assertEquals("concurrency in go",jedis.hget(BOOKS,"golang"));
        jedis.hdel(BOOKS,ArrayUtil.toArray(books.keySet(),String.class));

同字符串同样，hash 结构中的单个子 key 也能够进行计数，它对应的指令是 hincrby，和 incr 使用基本同样。

jedis.hincrBy(USER_LAOQIAN, "age", 1 );
        jedis.hincrBy(USER_LAOQIAN, "age", 1 ); // 老钱又老了一岁
        Assert.assertEquals("2",jedis.hget(USER_LAOQIAN,"age"));
        jedis.hdel(USER_LAOQIAN,"age");

3、set (集合)

Redis 的集合至关于 Java 语言里面的 HashSet，它内部的键值对是无序的惟一的。它的内部实现至关于一个特殊的字典，字典中全部的 value 都是一个值 NULL。

当集合中最后一个元素移除以后，数据结构自动删除，内存被回收。 set 结构能够用来存储活动中奖的用户 ID，由于有去重功能，能够保证同一个用户不会中奖两次。

Assert.assertEquals(1,jedis.sadd(BOOKS,"python").longValue());
        Assert.assertEquals(0,jedis.sadd(BOOKS,"python").longValue()); // 重复
        Assert.assertEquals(2,jedis.sadd(BOOKS,"java","golang").longValue());
        Set<String> smembers = jedis.smembers(BOOKS);
        Console.log(JSONUtil.toJsonPrettyStr(smembers)); // 注意顺序，和插入的并不一致，由于 set 是无序的
        Assert.assertTrue(jedis.sismember(BOOKS,"java")); // 查询某个 value 是否存在，至关于 contains(o)
        Assert.assertFalse(jedis.sismember(BOOKS,"ruby"));
        Assert.assertEquals(3,jedis.scard(BOOKS).longValue()); // 获取长度至关于 count()
        Console.log(jedis.spop(BOOKS)); // 弹出一个
        Assert.assertEquals(2,jedis.scard(BOOKS).longValue());
        jedis.srem(BOOKS,ArrayUtil.toArray(smembers,String.class));
        Assert.assertEquals(0,jedis.scard(BOOKS).longValue());

4、zset (有序列表)

zset 多是 Redis 提供的最为特点的数据结构，它相似于 Java 的 SortedSet 和 HashMap 的结合体，一方面它是一个 set，保证了内部value 的惟一性，另外一方面它能够给每一个 value 赋予一个 score，表明这个 value 的排序权重。它的内部实现用的是一种叫着「跳跃列表」的数据结构。zset 中最后一个 value 被移除后，数据结构自动删除，内存被回收。

zset 能够用来存粉丝列表，value 值是粉丝的用户 ID，score 是关注时间。咱们能够对粉丝列表按关注时间进行排序。

zset 还能够用来存储学生的成绩，value 值是学生的 ID，score 是他的考试成绩。咱们能够对成绩按分数进行排序就能够获得他的名次。

String book1 = "think in java";
        String book2 = "java concurrency";
        String book3 = "java cookbook";
        jedis.zadd(BOOKS,9.0,book1);
        jedis.zadd(BOOKS,8.9,book2);
        jedis.zadd(BOOKS,8.6,book3);
        Assert.assertEquals(CollectionUtil.newArrayList(book3,book2,book1),
                CollectionUtil.newArrayList(jedis.zrange(BOOKS,0,-1))); // 按 score 排序列出，参数区间为排名范围
        Assert.assertEquals(CollectionUtil.newArrayList(book1,book2,book3),
                CollectionUtil.newArrayList(jedis.zrevrange(BOOKS,0,-1))); // 按 score 逆序列出，参数区间为排名范围
        Assert.assertEquals(3,jedis.zcard(BOOKS).longValue()); // 至关于 count()
        Assert.assertEquals("8.9",jedis.zscore(BOOKS, "java concurrency").toString()); // 获取指定 value 的 score
        Assert.assertEquals(1,jedis.zrank(BOOKS,"java concurrency").longValue() ); // 排名
        Assert.assertEquals(0,jedis.zrank(BOOKS,"java cookbook").longValue() ); // 排名，从0开始
        Assert.assertEquals(CollectionUtil.newArrayList(book3,book2),
                CollectionUtil.newArrayList(jedis.zrangeByScore(BOOKS, 0, 8.91))); // 根据分值区间遍历 zset
        // 根据分值区间 (-∞, 8.91] 遍历 zset，同时返回分值。inf 表明 infinite，无穷大的意思。
        Assert.assertEquals(CollectionUtil.newArrayList(new Tuple(book3,8.6),new Tuple(book2,8.9)),
                CollectionUtil.newArrayList(jedis.zrangeByScoreWithScores(BOOKS, "-inf","8.91")));
        jedis.zrem(BOOKS,book1,book2,book3);
        Assert.assertEquals(0,jedis.zcard(BOOKS).longValue());

本文基于《Redis深度历险：核心原理和应用实践》一文的JAVA实践。更多文章请参考：高性能缓存中间件Redis应用实战（JAVA）