深刻剖析Redis系列(四) - Redis数据结构与全局命令概述

时间 2019-11-07

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前言

Redis 提供了 5 种数据结构。理解每种数据结构的特色，对于 Redis 的 开发运维 很是重要，同时掌握 Redis 的 单线程命令处理 机制，会使 数据结构 和命令的选择事半功倍。java

接下来的几篇文章，将从以下几个方面介绍 Redis 的几种数据结构，命令使用及其应用场景。python

预备知识：几个简单的 全局命令，数据结构 和 内部编码，单线程命令 处理机制分析。
数据结构特性：5 种 数据结构 的特色、命令使用、应用场景。
数据管理：键管理、遍历键、数据库管理。

其余文章

正文

1. 预备知识

在介绍 5 种 数据结构 以前，须要先了解 Redis 的一些 全局命令、数据结构 和 内部编码、单线程命令处理机制。

Redis 的命令有 上百个，理解 Redis 的一些机制，会发现这些命令有很强的 通用性。
Redis 不是万金油，有些 数据结构 和命令必须在 特定场景 下使用，一旦 使用不当 可能对 Redis 自己或者 应用自己 形成致命伤害。

2. 全局命令

Redis 有 5 种 数据结构，它们是 键值对 中的值，对于键来讲有一些通用的命令。

2.1. 查看全部键

keys *

下面插入了 3 对字符串类型的键值对：

127.0.0.1:6379> set hello world
OK
127.0.0.1:6379> set java jedis
OK
127.0.0.1:6379> set python redis-py
OK
复制代码

命令会将全部的键输出：

127.0.0.1:6379> keys *
1) "python"
2) "java"
3) "hello"
复制代码

2.2. 键总数

dbsize

下面插入一个 列表类型 的 键值对（值是 多个元素 组成）：

127.0.0.1:6379> rpush mylist a b c d e f g
(integer) 7
复制代码

dbsize 命令会返回当前数据库中 键的总数。

127.0.0.1:6379> dbsize
(integer) 4
复制代码

dbsize 命令在 计算键总数 时 不会遍历 全部键，而是直接获取 Redis 内置的键总数变量，因此 dbsize 命令的 时间复杂度 是 O（1）。而 keys 命令会遍历全部键，因此它的 时间复杂度 是 O（n），当 Redis 保存了 大量键 时，线上环境禁止使用。

2.3. 检查键是否存在

exists key

若是键存在则返回 1，不存在则返回 0：

127.0.0.1:6379> exists java
(integer) 1
127.0.0.1:6379> exists not_exist_key
(integer) 0
复制代码

2.4. 删除键

del key

del 是一个 通用命令，不管值是什么 数据结构 类型，del 命令均可以将其删除。

127.0.0.1:6379> del java
(integer) 1
127.0.0.1:6379> exists java
(integer) 0
127.0.0.1:6379> del not_exist_key
(integer) 0
127.0.0.1:6379> exists not_exist_key
(integer) 0
复制代码

返回结果为 成功删除 的 键的个数，假设删除一个 不存在 的键，就会返回 0。

2.5. 键过时

expire key seconds

Redis 支持对键添加 过时时间，当超过过时时间后，会 自动删除键，例如为键 hello 设置 10 秒过时时间：

127.0.0.1:6379> set hello world
OK
127.0.0.1:6379> expire hello 10 
(integer) 0
复制代码

ttl 命令会返回键的 剩余过时时间，它有 3 种返回值：

大于等于 0 的整数：表示键剩余的 过时时间。
返回 -1：键没设置 过时时间。
返回 -2：键不存在。

能够经过 ttl 命令观察键 hello 的 剩余过时时间：

# 还剩7秒
127.0.0.1:6379> ttl hello(integer) 
(integer) 7
...
# 还剩1秒
127.0.0.1:6379> ttl hello(integer) 
(integer) 1
# 返回结果为-2，说明键hello已经被删除
127.0.0.1:6379> ttl hello(integer) 
(integer) -2
127.0.0.1:6379> get hello
(nil)
复制代码

2.6. 键的数据结构类型

type key

例如键 hello 是的值 字符串类型，返回结果为 string。键 mylist 的值是 列表类型，返回结果为 list。若是键不存在，则返回 none。

127.0.0.1:6379> set a b
OK
127.0.0.1:6379> type a
string
127.0.0.1:6379> rpush mylist a b c d e f g
(integer) 7
127.0.0.1:6379> type mylist
list
复制代码

3. 数据结构和内部编码

type 命令实际返回的就是当前键的 数据结构类型，它们分别是：string（字符串）、hash（哈希）、list（列表）、set（集合）、zset（有序集合），但这些只是 Redis 对外的 数据结构。如图所示：

对于每种 数据结构，实际上都有本身底层的 内部编码 实现，并且是 多种实现。这样 Redis 会在合适的场景选择合适的 内部编码，如图所示：

能够看到，每种 数据结构 都有 两种以上 的 内部编码实现。例如 list 数据结构 包含了 linkedlist 和 ziplist 两种 内部编码。同时有些 内部编码，例如 ziplist，能够做为 多种外部数据结构 的内部实现，能够经过 object encoding 命令查询 内部编码：

127.0.0.1:6379> object encoding hello
"embstr"
127.0.0.1:6379> object encoding mylist
"quicklist"
复制代码

能够看到键 hello 对应值的 内部编码 是 embstr，键 mylist 对应值的 内部编码 是 ziplist。

Redis 这样设计有两个好处：

其一：能够改进 内部编码，而对外的 数据结构 和命令没有影响。例如 Redis3.2 提供的 quicklist，结合了 ziplist 和 linkedlist 二者的优点，为 列表类型 提供了一种 更加高效 的 内部编码实现。
其二：不一样 内部编码 能够在 不一样场景 下发挥各自的优点。例如 ziplist 比较 节省内存，可是在列表 元素比较多 的状况下，性能会有所降低，这时候 Redis 会根据配置，将列表类型的 内部实现 转换为 linkedlist。

4. 单线程架构

Redis 使用了 单线程架构 和 I/O 多路复用模型 来实现 高性能 的 内存数据库服务。那为何 单线程 还能这么快，下面分析缘由：

4.1. 纯内存访问

Redis 将全部数据放在内存中，内存的 响应时长 大约为 100 纳秒，这是 Redis 达到 每秒万级别 访问的重要基础。

4.2. 非阻塞I/O

Redis 使用 epoll 做为 I/O 多路复用技术 的实现，再加上 Redis 自身的 事件处理模型 将 epoll 中的链接、读写、关闭都转换为事件，从而不用不在网络 I/O 上浪费过多的时间，如图所示：

4.3. 单线程避免线程切换和竞态产生的消耗

采用 单线程 就能达到如此 高的性能，那么不失为一种不错的选择，由于 单线程 能带来几个好处：

单线程 能够简化 数据结构和算法 的实现，开发人员不须要了解复杂的 并发数据结构。
单线程 避免了 线程切换 和竞态产生的消耗，对于服务端开发来讲，锁和线程切换 一般是性能杀手。

单线程 的问题：对于 每一个命令 的 执行时间 是有要求的。若是某个命令 执行过长，会形成其余命令的阻塞，对于 Redis 这种 高性能 的服务来讲是致命的，因此 Redis 是面向 快速执行 场景的数据库。

小结

本文堆 Redis 的几种 数据结构 进行了概述，介绍了几个简单的 全局命令，数据结构 和 内部编码 以及 单线程命令 处理机制分析。

参考

《Redis 开发与运维》

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