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learn.lianglianglee.com/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/17 如何理解、选择并使用Redis的核心数据类型？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>17 如何理解、选择并使用Redis的核心数据类型？</h1>
<p>你好，我是你的缓存课老师陈波，欢迎进入第 17 课时“Redis 数据类型”的学习。</p>
<h6>Redis 数据类型</h6>
<p>首先，来看一下 Redis 的核心数据类型。Redis 有 8 种核心数据类型，分别是 ：</p>
<ul>
<li>string 字符串类型；</li>
<li>list 列表类型；</li>
<li>set 集合类型；</li>
<li>sorted set 有序集合类型；</li>
<li>hash 类型；</li>
<li>bitmap 位图类型；</li>
<li>geo 地理位置类型；</li>
<li>HyperLogLog 基数统计类型。</li>
</ul>
<h6>string 字符串</h6>
<p>string 是 Redis 的最基本数据类型。可以把它理解为 Mc 中 key 对应的 value 类型。string 类型是二进制安全的，即 string 中可以包含任何数据。</p>
<p>Redis 中的普通 string 采用 raw encoding 即原始编码方式，该编码方式会动态扩容，并通过提前预分配冗余空间，来减少内存频繁分配的开销。</p>
<p>在字符串长度小于 1MB 时，按所需长度的 2 倍来分配，超过 1MB，则按照每次额外增加 1MB 的容量来预分配。</p>
<p>Redis 中的数字也存为 string 类型，但编码方式跟普通 string 不同，数字采用整型编码，字符串内容直接设为整数值的二进制字节序列。</p>
<p>在存储普通字符串，序列化对象，以及计数器等场景时，都可以使用 Redis 的字符串类型，字符串数据类型对应使用的指令包括 set、get、mset、incr、decr 等。</p>
<h6>list 列表</h6>
<p>Redis 的 list 列表，是一个快速双向链表，存储了一系列的 string 类型的字串值。list 中的元素按照插入顺序排列。插入元素的方式，可以通过 lpush 将一个或多个元素插入到列表的头部，也可以通过 rpush 将一个或多个元素插入到队列尾部，还可以通过 lset、linsert 将元素插入到指定位置或指定元素的前后。</p>
<p>list 列表的获取，可以通过 lpop、rpop 从对头或队尾弹出元素，如果队列为空，则返回 nil。还可以通过 Blpop、Brpop 从队头/队尾阻塞式弹出元素，如果 list 列表为空，没有元素可供弹出，则持续阻塞，直到有其他 client 插入新的元素。这里阻塞弹出元素，可以设置过期时间，避免无限期等待。最后，list 列表还可以通过 LrangeR 获取队列内指定范围内的所有元素。Redis 中，list 列表的偏移位置都是基于 0 的下标，即列表第一个元素的下标是 0，第二个是 1。偏移量也可以是负数，倒数第一个是 -1，倒数第二个是 -2，依次类推。</p>
<p><img src="assets/CgoB5l2lPU6AXXYxAAA5cAa-A6U949.png" alt="img" /></p>
<p>list 列表，对于常规的 pop、push 元素，性能很高，时间复杂度为 O(1)，因为是列表直接追加或弹出。但对于通过随机插入、随机删除，以及随机范围获取，需要轮询列表确定位置，性能就比较低下了。</p>
<p>feed timeline 存储时，由于 feed id 一般是递增的，可以直接存为 list，用户发表新 feed，就直接追加到队尾。另外消息队列、热门 feed 等业务场景，都可以使用 list 数据结构。</p>
<p>操作 list 列表时，可以用 lpush、lpop、rpush、rpop、lrange 来进行常规的队列进出及范围获取操作，在某些特殊场景下，也可以用 lset、linsert 进行随机插入操作，用 lrem 进行指定元素删除操作；最后，在消息列表的消费时，还可以用 Blpop、Brpop 进行阻塞式获取，从而在列表暂时没有元素时，可以安静的等待新元素的插入，而不需要额外持续的查询。</p>
<h6>set 集合</h6>
<p>set 是 string 类型的无序集合，set 中的元素是唯一的，即 set 中不会出现重复的元素。Redis 中的集合一般是通过 dict 哈希表实现的，所以插入、删除，以及查询元素，可以根据元素 hash 值直接定位，时间复杂度为 O(1)。</p>
<p>对 set 类型数据的操作，除了常规的添加、删除、查找元素外，还可以用以下指令对 set 进行操作。</p>
<ul>
<li>sismember 指令判断该 key 对应的 set 数据结构中，是否存在某个元素，如果存在返回 1，否则返回 0；</li>
<li>sdiff 指令来对多个 set 集合执行差集；</li>
<li>sinter 指令对多个集合执行交集；</li>
<li>sunion 指令对多个集合执行并集；</li>
<li>spop 指令弹出一个随机元素；</li>
<li>srandmember 指令返回一个或多个随机元素。</li>
</ul>
<p>set 集合的特点是查找、插入、删除特别高效，时间复杂度为 O(1)，所以在社交系统中，可以用于存储关注的好友列表，用来判断是否关注，还可以用来做好友推荐使用。另外，还可以利用 set 的唯一性，来对服务的来源业务、来源 IP 进行精确统计。</p>
<h6>sorted set 有序集合</h6>
<p>Redis 中的 sorted set 有序集合也称为 zset，有序集合同 set 集合类似，也是 string 类型元素的集合，且所有元素不允许重复。</p>
<p>但有序集合中，每个元素都会关联一个 double 类型的 score 分数值。有序集合通过这个 score 值进行由小到大的排序。有序集合中，元素不允许重复，但 score 分数值却允许重复。</p>
<p>有序集合除了常规的添加、删除、查找元素外，还可以通过以下指令对 sorted set 进行操作。</p>
<ul>
<li>zscan 指令：按顺序获取有序集合中的元素；</li>
<li>zscore 指令：获取元素的 score 值；</li>
<li>zrange指令：通过指定 score 返回指定 score 范围内的元素；</li>
<li>在某个元素的 score 值发生变更时，还可以通过 zincrby 指令对该元素的 score 值进行加减。</li>
<li>通过 zinterstore、zunionstore 指令对多个有序集合进行取交集和并集，然后将新的有序集合存到一个新的 key 中，如果有重复元素，重复元素的 score 进行相加，然后作为新集合中该元素的 score 值。</li>
</ul>
<p>sorted set 有序集合的特点是：</p>
<ul>
<li>所有元素按 score 排序，而且不重复；</li>
<li>查找、插入、删除非常高效，时间复杂度为 O(1)。</li>
</ul>
<p>因此，可以用有序集合来统计排行榜，实时刷新榜单，还可以用来记录学生成绩，从而轻松获取某个成绩范围内的学生名单，还可以用来对系统统计增加权重值，从而在 dashboard 实时展示。</p>
<h6>hash 哈希</h6>
<p>Redis 中的哈希实际是 field 和 value 的一个映射表。</p>
<p>hash 数据结构的特点是在单个 key 对应的哈希结构内部，可以记录多个键值对，即 field 和 value 对，value 可以是任何字符串。而且这些键值对查询和修改很高效。</p>
<p>所以可以用 hash 来存储具有多个元素的复杂对象，然后分别修改或获取这些元素。hash 结构中的一些重要指令，包括：hmset、hmget、hexists、hgetall、hincrby 等。</p>
<ul>
<li>hmset 指令批量插入多个 field、value 映射；</li>
<li>hmget 指令获取多个 field 对应的 value 值；</li>
<li>hexists 指令判断某个 field 是否存在；</li>
<li>如果 field 对应的 value 是整数，还可以用 hincrby 来对该 value 进行修改。</li>
</ul>
<h6>bitmap 位图</h6>
<p>Redis 中的 bitmap 位图是一串连续的二进制数字，底层实际是基于 string 进行封装存储的，按 bit 位进行指令操作的。bitmap 中每一 bit 位所在的位置就是 offset 偏移，可以用 setbit、bitfield 对 bitmap 中每个 bit 进行置 0 或置 1 操作，也可以用 bitcount 来统计 bitmap 中的被置 1 的 bit 数，还可以用 bitop 来对多个 bitmap 进行求与、或、异或等操作。</p>
<p><img src="assets/CgotOV2lPU6ALJouAAAM9y2LlI0761.png" alt="img" /></p>
<p>bitmap 位图的特点是按位设置、求与、求或等操作很高效，而且存储成本非常低，用来存对象标签属性的话，一个 bit 即可存一个标签。可以用 bitmap，存用户最近 N 天的登录情况，每天用 1 bit，登录则置 1。个性推荐在社交应用中非常重要，可以对新闻、feed 设置一系列标签，如军事、娱乐、视频、图片、文字等，用 bitmap 来存储这些标签，在对应标签 bit 位上置 1。对用户，也可以采用类似方式，记录用户的多种属性，并可以很方便的根据标签来进行多维度统计。bitmap 位图的重要指令包括：setbit、 getbit、bitcount、bitfield、 bitop、bitpos 等。</p>
<p>在移动社交时代，LBS 应用越来越多，比如微信、陌陌中附近的人，美团、大众点评中附近的美食、电影院，滴滴、优步中附近的专车等。要实现这些功能，就得使用地理位置信息进行搜索。地球的地理位置是使用二维的经纬度进行表示的，我们只要确定一个点的经纬度，就可以确认它在地球的位置。</p>
<p>Redis 在 3.2 版本之后增加了对 GEO 地理位置的处理功能。Redis 的 GEO 地理位置本质上是基于 sorted set 封装实现的。在存储分类 key 下的地理位置信息时，需要对该分类 key 构建一个 sorted set 作为内部存储结构，用于存储一系列位置点。</p>
<p>在存储某个位置点时，首先利用 Geohash 算法，将该位置二维的经纬度，映射编码成一维的 52 位整数值，将位置名称、经纬度编码 score 作为键值对，存储到分类 key 对应的 sorted set 中。</p>
<p>需要计算某个位置点 A 附近的人时，首先以指定位置 A 为中心点，以距离作为半径，算出 GEO 哈希 8 个方位的范围， 然后依次轮询方位范围内的所有位置点，只要这些位置点到中心位置 A 的距离在要求距离范围内，就是目标位置点。轮询完所有范围内的位置点后，重新排序即得到位置点 A 附近的所有目标。</p>
<ul>
<li>使用 geoadd，将位置名称（如人、车辆、店名）与对应的地理位置信息添加到指定的位置分类 key 中；</li>
<li>使用 geopos 方便地查询某个名称所在的位置信息；</li>
<li>使用 georadius 获取指定位置附近，不超过指定距离的所有元素；</li>
<li>使用 geodist 来获取指定的两个位置之间的距离。</li>
</ul>
<p>这样，是不是就可以实现，找到附近的餐厅，算出当前位置到对应餐厅的距离，这样的功能了？</p>
<p>Redis GEO 地理位置，利用 Geohash 将大量的二维经纬度转一维的整数值，这样可以方便的对地理位置进行查询、距离测量、范围搜索。但由于地理位置点非常多，一个地理分类 key 下可能会有大量元素，在 GEO 设计时，需要提前进行规划，避免单 key 过度膨胀。</p>
<p>Redis 的 GEO 地理位置数据结构，应用场景很多，比如查询某个地方的具体位置，查当前位置到目的地的距离，查附近的人、餐厅、电影院等。GEO 地理位置数据结构中，重要指令包括 geoadd、geopos、geodist、georadius、georadiusbymember 等。</p>
<h6>hyperLogLog 基数统计</h6>
<p>Redis 的 hyperLogLog 是用来做基数统计的数据类型，当输入巨大数量的元素做统计时，只需要很小的内存即可完成。HyperLogLog 不保存元数据，只记录待统计元素的估算数量，这个估算数量是一个带有 0.81% 标准差的近似值，在大多数业务场景，对海量数据，不足 1% 的误差是可以接受的。</p>
<p>Redis 的 HyperLogLog 在统计时，如果计数数量不大，采用稀疏矩阵存储，随着计数的增加，稀疏矩阵占用的空间也会逐渐增加，当超过阀值后，则改为稠密矩阵，稠密矩阵占用的空间是固定的，约为12KB字节。</p>
<p>通过 hyperLoglog 数据类型，你可以利用 pfadd 向基数统计中增加新的元素，可以用 pfcount 获得 hyperLogLog 结构中存储的近似基数数量，还可以用 hypermerge 将多个 hyperLogLog 合并为一个 hyperLogLog 结构，从而可以方便的获取合并后的基数数量。</p>
<p>hyperLogLog 的特点是统计过程不记录独立元素，占用内存非常少，非常适合统计海量数据。在大中型系统中，统计每日、每月的 UV 即独立访客数，或者统计海量用户搜索的独立词条数，都可以用 hyperLogLog 数据类型来进行处理。</p>
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