5種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• Redis有5種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是：String（字符串），list（列表），hash（字典），set（集合），zset（有序集合），這五種是我們開發(fā)種經(jīng)常用的到的，是Redis種最基礎(chǔ)，最重要的部分。

string（字符串）

• 字符串string是Redis最簡單的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他的內(nèi)部表示是一個(gè)字符數(shù)組，Redis所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都以唯一的key字符串作為名稱，然后通過這個(gè)唯一的key獲取對應(yīng)的value數(shù)據(jù)，不同類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異其實(shí)就在value上而已。如下圖對應(yīng)String類型字符串示意圖：
  
• Redis的字符串底層實(shí)現(xiàn)其實(shí)是動(dòng)態(tài)的字符串，是可以修改的字符串，內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)類似java種的ArrayList，采用預(yù)分配的方式冗余了一部分空的內(nèi)存空間來減少頻繁的內(nèi)存重新分配的環(huán)節(jié)，如下圖，內(nèi)部為當(dāng)前字符串分配的實(shí)際空間Capacity，一般比我們字符串長度len更多，當(dāng)字符串長度小于1M時(shí)候，擴(kuò)容都是加倍現(xiàn)有空間，如果字符串長度超過1M，擴(kuò)容的時(shí)候，只會(huì)擴(kuò)容1M內(nèi)存（生產(chǎn)上一個(gè)1M的字符也比較大了，不建議這么搞）。注意，字符串最大長度512M。
  
• 如果這個(gè)string類型的數(shù)據(jù)value是一個(gè)整數(shù)，Redis還提供來一種自增的操作，他的自增范圍是signed long的最大值最小值之間，超過這個(gè)范圍，Redis會(huì)報(bào)錯(cuò)。

set age 30 incr age //自增

list（列表）

• Redis的list相當(dāng)于Java中的LinkedList，他是鏈表而不是數(shù)組。這個(gè)意味著list的插入和刪除是很快的，事件復(fù)雜度是O(1)，但是下標(biāo)索引定位慢，事件復(fù)雜度O(n)，Redis中實(shí)現(xiàn)是一個(gè)雙向鏈表結(jié)構(gòu)的保證順序性，串起來可以同時(shí)支持前后的方向便利，當(dāng)列表彈出最后一個(gè)元素，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被自動(dòng)刪除，內(nèi)存回收。如下圖
  
• Redis的列表結(jié)構(gòu)可以用來做簡單的異步隊(duì)列使用，將需要延后處理的任務(wù)結(jié)構(gòu)化為一個(gè)字符串，放到Redis列表中，另一個(gè)線程在列表中逐個(gè)彈出。

右近左出：隊(duì)列

• 隊(duì)列是先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于消費(fèi)隊(duì)列和異步的邏輯處理，他會(huì)確保元素的訪問順序性。如下圖
  

右邊進(jìn)右邊出：棧

• 棧是先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，跟隊(duì)列正好相反，我們用Redis的列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來做棧使用如下：
  

警惕慢操作

• lindex相當(dāng)于java鏈表的get方法，他需要遍歷整個(gè)鏈表，性能O(n)，隨著參數(shù)index的增加而增加
• ltrim 與字面上意思不一致，保留一段期間內(nèi)的值，刪掉區(qū)間以外的，可以通過這個(gè)來獲取一個(gè)定長列表，index可以是負(fù)數(shù)，-1是倒數(shù)第一個(gè)，-2 倒數(shù)第二個(gè)

ltrim key start_index end_index // 刪除start_index到 end_index以外的所有元素

內(nèi)部存儲(chǔ)：快速列表

• Redis的底層存儲(chǔ)的不是一個(gè)簡單的LinkedList，而是一個(gè)快速列表的一個(gè)結(jié)構(gòu)
• 首先元素較少的時(shí)候，會(huì)使用一塊連續(xù)的內(nèi)存存儲(chǔ)，這個(gè)結(jié)構(gòu)叫做ziplist，壓縮列表。他所有的元素彼此緊挨在一起存儲(chǔ)，分配的是一塊連續(xù)的內(nèi)存（可以看作一個(gè)數(shù)組）
• 當(dāng)數(shù)據(jù)量比較多的時(shí)候才會(huì)改成quicklist。因?yàn)槠胀斜硇枰母郊又羔樥加每臻g太大比如我們list中都是int類型的數(shù)據(jù)，那么每一個(gè)節(jié)點(diǎn)還需要維護(hù)兩個(gè)指針prev，next，指針?biāo)加玫膬?nèi)存比實(shí)際數(shù)據(jù)還要多
• 所以Redis將鏈表和ziplist結(jié)合使用，組成quicklist，也就是將多個(gè)ziplist用雙向指針串起來，就可以節(jié)省很多指針空間。如下圖。
  

hash（字典）

• Redis的字典相當(dāng)于Java中的HashMap，，他是無順序的字典結(jié)構(gòu)，內(nèi)存存儲(chǔ)多個(gè)key，value，
  
• 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與Java中HashMap也類似，都是數(shù)組+鏈表的而為結(jié)構(gòu)，如下圖，第一緯度的hash結(jié)構(gòu)數(shù)組會(huì)發(fā)生重合的情況，也就是兩個(gè)key的hash值一樣，就會(huì)使用鏈表的形式將元素串起來。
  
• 不同地方Redis的字典值只能是字符串，另外他們的rehash的方式也不一樣，因?yàn)镴ava的HashMap字典很大時(shí)候，rehash的耗時(shí)很多，而且一次性全部完成，Redis為追求高性能，不能堵塞服務(wù)，所以采用漸進(jìn)式rehash策略
• 漸進(jìn)式rehash會(huì)在rehash的同時(shí)，保留新舊兩個(gè)hash結(jié)構(gòu)，查詢時(shí)候同時(shí)查詢兩個(gè)字典結(jié)構(gòu)，后續(xù)Redis會(huì)在定時(shí)任務(wù)以及hash操作指令中，逐漸的將舊的hash內(nèi)容一點(diǎn)點(diǎn)遷移到新的hash結(jié)構(gòu)，完成后才用新的。（空間換時(shí)間）
  
• 當(dāng)hash結(jié)構(gòu)最后一個(gè)元素被移除，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)刪掉，內(nèi)存自動(dòng)回收。
• 同字符串一樣，hash結(jié)構(gòu)也有單個(gè)key的計(jì)數(shù)功能，他對于指令是hincrby，和incr使用方法基本一致

127.0.0.1:6379> hset user age 29 (integer) 1 127.0.0.1:6379> hset user height 171 (integer) 1 127.0.0.1:6379> hincrby user height (error) ERR wrong number of arguments for 'hincrby' command 127.0.0.1:6379> hincrby user height 1 (integer) 172 127.0.0.1:6379> hget user height "172"

set（集合）

• Redis的集合相當(dāng)于java中的HashSet，內(nèi)部的鍵值對是無序的，唯一的。他的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于一個(gè)特殊的字典，字典中的所有value都是一個(gè)NULL而已，同樣當(dāng)集合最后一個(gè)元素被移除也會(huì)被刪除，自動(dòng)回收內(nèi)存。
• set結(jié)構(gòu)可以用來存儲(chǔ)中獎(jiǎng)用戶id，因?yàn)橛腥ブ氐墓δ?#xff0c;保證唯一性。

zset（有序列表）

• zset是Redis提供的最有特色的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類似java的sortedSet和HashMap的結(jié)合體，應(yīng)為他有兩者特點(diǎn)，首先他是一個(gè)set，所以保證內(nèi)部每個(gè)value的唯一性，另外他給每個(gè)value的排序賦予一個(gè)權(quán)重score，代表這個(gè)value的排序權(quán)重，他內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是一個(gè)叫”跳躍表“的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

跳躍列表

• zset的內(nèi)部排序功能是通過跳躍表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，他的結(jié)構(gòu)非常特殊，因?yàn)閦set既要支持隨機(jī)的插入和刪除，所以他不能用數(shù)組，數(shù)組需要遍歷

• Zset要支持按照score排序，這意味著有新元素插入，需要定位特定的位置插入點(diǎn)，這樣才可以保證有序性，通常我們用二分查找（平均時(shí)間復(fù)雜度最小），但是二分查找對象都是數(shù)組，鏈表無法做到這樣就兩個(gè)條件矛盾來用如下的結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)問題：變異形態(tài)的鏈表

• 比如我們平時(shí)公司的結(jié)構(gòu)中，研發(fā)人員平等，都有一個(gè)組長，各個(gè)組長平等，組長上有l(wèi)eader，各個(gè)leader之間平等，leader上沒有總監(jiān)，依次向上到最后的CEO，跳躍表就類似這樣的一個(gè)層級結(jié)構(gòu)

• 最下面的一層是所有元素都串起來，然后每隔幾個(gè)元素挑選出一個(gè)代表，再將這幾個(gè)代表用另外一個(gè)指針串聯(lián)。接著在這些代表中繼續(xù)挑選出二級代表，形成新的金字塔結(jié)構(gòu)。如下：
  

• 解釋：

  • 類比二分法，當(dāng)我們用二分發(fā)時(shí)候，先找到middle位置，比較中間位置的value和將要insert進(jìn)去元素的value，如果小，則將0～middle作為新的鏈表，如果大middle-max作為新的鏈表重新以上步驟，來到第二層。
  • 如上圖，我們定位插入點(diǎn)時(shí)候，先從頂層開始，我們將最頂層的一個(gè)節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于中間位置，只不過他是我們通過特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)暴露出來的一個(gè)中間位置，然后類比上面步驟，我們進(jìn)入到第二層中，比較中間位置的L2和將要insert進(jìn)去元素的value，如果小，將L1層級中中0～L2位置元素作為新的鏈表，我們通過這樣逐層的比較，直到最底層找到合適的位置，將新的元素insert進(jìn)去。
  • 這種做法就相當(dāng)于將二分法的步驟拆開后，得到N個(gè)鏈表，每個(gè)鏈表都是我們二分法中每個(gè)步驟中需要查找的那個(gè)半個(gè)數(shù)組而已，通過比較每個(gè)數(shù)組中的中間value值來得出最后的位置。用冗余的方式來避免鏈表的遍歷（替換數(shù)組的下標(biāo)索引功能）

• 跳躍表中節(jié)點(diǎn)可以在多個(gè)層級有多個(gè)身份，跳躍表采用隨機(jī)策略決定新元素可以到第幾層，L0層概率是1 ，L1 只有50%對半分，L2 再次25%，L3只有12.5%，依次，一直隨機(jī)到頂層L31，每次對半，到頂層基本不會(huì)有很多數(shù)據(jù)。

容器類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通用規(guī)則

• list，set， hash， zset四種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是容器型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們共享下面幾個(gè)規(guī)則：
  • create if not exists：如果容器不存在，那就創(chuàng)建一個(gè)，子啊進(jìn)行操作，比如rpush操作剛開始沒有列表，會(huì)新建一個(gè)列表，然后在rpush元素
  • drop if no elements：如果容器中沒有元素，會(huì)立即刪除容器，釋放內(nèi)存。意味著lpop操作完最后一個(gè)元素后列表就會(huì)消失。
  • 過期時(shí)間設(shè)置，到期自動(dòng)刪除，注意如果一個(gè)key設(shè)置來過期時(shí)間后調(diào)用set方法修改，過期時(shí)間會(huì)消失。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Redis基础数据结构内部实现简单介绍的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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