1. redis介紹
Redis 是一個高性能的鍵值存儲系統(tǒng)，支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
包含五種基本類型 String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（集合）、Zset（有序集合），和三種特殊類型 Geo（地理位置）、HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計）、Bitmaps（位圖）。
每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是為了解決特定問題而設(shè)計的，適用不同的場景。想要用好Redis，必須了解底層實現(xiàn)原理和使用技巧，同時結(jié)合具體的業(yè)務(wù)場景和需求進(jìn)行選擇和使用。無論是工作還是面試中，這些必備的知識。
下面就詳細(xì)介紹一下每種數(shù)據(jù)類型的使用方式、實現(xiàn)原理和適用場景。
2. String（字符串）
String（字符串）是Redis中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，它可以存儲任意類型的數(shù)據(jù)，包括數(shù)字、文本、序列化的對象等。Redis中的字符串最大可以存儲512MB的數(shù)據(jù)。
使用方式
字符串類型的操作是最基本的，包括設(shè)置值、獲取值、修改值、追加值等。字符串類型支持的操作包括：
應(yīng)用場景
- 緩存：將計算結(jié)果、數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果或者配置數(shù)據(jù)存儲在Redis中，可以提高應(yīng)用的響應(yīng)速度和吞吐量。
- 計數(shù)器：使用Redis的自增和自減操作，實現(xiàn)簡單的計數(shù)器功能，如網(wǎng)站的訪問次數(shù)統(tǒng)計
- 限流：使用Redis的incr和expire命令，實現(xiàn)固定窗口算法的流量控制，防止系統(tǒng)過載。
- 分布式鎖：使用SETNX操作實現(xiàn)分布式鎖，保證同一時刻只有一個線程訪問臨界資源。
- 會話管理：將用戶會話信息存儲在Redis中，可以實現(xiàn)分布式Session。
內(nèi)部編碼
Redis字符串的內(nèi)部編碼有三種：
- int編碼：當(dāng)字符串長度小于等于12字節(jié)并且字符串可以表示為整數(shù)時，Redis會使用int編碼。這樣可以節(jié)省內(nèi)存，并且在執(zhí)行一些命令時可以直接進(jìn)行數(shù)值計算。
- embstr編碼：當(dāng)字符串長度小于等于39字節(jié)時，Redis會使用embstr編碼。這種編碼方式會將字符串和存儲它的結(jié)構(gòu)體一起分配在內(nèi)存中，這樣可以減少內(nèi)存碎片和結(jié)構(gòu)體的開銷。
- raw編碼：當(dāng)字符串長度大于39字節(jié)或者字符串不能表示為整數(shù)時，Redis會使用raw編碼。這種編碼方式直接將字符串存儲在一個結(jié)構(gòu)體中，沒有進(jìn)行任何優(yōu)化。
3. Hash（哈希）
使用方式
哈希類型是一種鍵值對的集合，其中鍵值對的值可以是字符串、列表或者其他哈希類型。哈希類型支持的操作包括：
應(yīng)用場景
- 存儲對象：將對象的屬性和屬性值存儲在哈希類型中，可以很方便地進(jìn)行查詢和更新操作，比如常見的用戶信息就適合使用哈希類型存儲。
內(nèi)部編碼
Redis哈希類型的內(nèi)部編碼有兩種：
- ziplist（壓縮列表）：當(dāng)Hash類型的元素比較少，且元素的大小比較小（小于64字節(jié)）時，Redis采用ziplist作為Hash類型的內(nèi)部編碼。ziplist是一種緊湊的、壓縮的列表結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省內(nèi)存空間。但是，ziplist只能進(jìn)行線性查找，不支持快速的隨機(jī)訪問。
- hashtable（字典）：當(dāng)Hash類型的元素比較多，或者元素的大小比較大（大于64字節(jié)）時，Redis采用hashtable作為Hash類型的內(nèi)部編碼。hashtable是一種基于鏈表的哈希表結(jié)構(gòu)，可以快速地進(jìn)行隨機(jī)訪問。但是，hashtable需要占用更多的內(nèi)存空間。
4. List（列表）
使用方式
Redis List類型是一個有序的字符串列表，支持在列表的頭部或尾部添加元素，也支持在列表任意位置插入或刪除元素。支持的操作包括：
使用場景
Redis List類型由于支持在列表的頭部或尾部添加元素，也支持在列表任意位置插入或刪除元素，因此非常適合以下場景：
- 消息隊列：Redis List類型常被用作輕量級的消息隊列，生產(chǎn)者將消息插入隊列尾部，消費者從隊列頭部彈出消息進(jìn)行處理，可以使用LPUSH、RPUSH、BLPOP、BRPOP等命令實現(xiàn)。
- 時間序列：使用Redis的LPUSH和RPUSH命令，將時間序列的數(shù)據(jù)按照時間順序添加到列表的頭部或尾部，然后使用LRANGE命令，查詢一段時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)時間序列的查詢。
- 排行榜：Redis List類型可以用于實現(xiàn)排行榜功能，將每個用戶的得分作為元素值插入到列表中，使用LINSERT、LREM、LINDEX等命令進(jìn)行排名操作，使用LRANGE命令查詢排名前幾的用戶，可以使用LPUSH、LINSERT、LREM、LINDEX、LRANGE等命令實現(xiàn)。
- 計數(shù)器：Redis List類型可以將每個元素視為計數(shù)器的值，可以使用LPUSH、RPUSH、LINDEX、LREM等命令實現(xiàn)。
- 最近訪問記錄：Redis List類型可以用于記錄最近訪問的記錄，將最新的訪問記錄插入列表頭部，當(dāng)列表長度超過設(shè)定的值時，使用LTRIM命令刪除最舊的記錄，可以使用LPUSH、LINDEX、LTRIM等命令實現(xiàn)。
內(nèi)部編碼
Redis List類型內(nèi)部編碼有兩種，分別是ziplist和linkedlist。
- ziplist
ziplist是一種特殊的編碼方式，它可以將小數(shù)據(jù)量的列表存儲在一個連續(xù)的內(nèi)存塊中，節(jié)省了內(nèi)存空間，同時還可以提高存取效率。
ziplist編碼的列表最大長度為2^16-1個元素，每個元素可以是字符串類型、整數(shù)類型或浮點數(shù)類型。在ziplist中，每個元素都被存儲為一個字節(jié)數(shù)組，并包含一個前綴和一個后綴，用于標(biāo)識該元素的類型和長度。
- linkedlist
linkedlist是一種常規(guī)的雙向鏈表結(jié)構(gòu)，它可以存儲任意長度的列表，并且支持高效的插入和刪除操作。在linkedlist中，每個節(jié)點都包含了一個指向前一個節(jié)點和后一個節(jié)點的指針，以及一個存儲元素數(shù)據(jù)的指針。
linkedlist適用于存儲大數(shù)量的列表，它沒有像ziplist那樣的內(nèi)存限制，但是會占用更多的內(nèi)存空間。
5. Set（集合）
使用方式
Redis Set（集合）是一個無序的字符串集合，其中每個元素都是唯一的，不允許重復(fù)。Redis Set類型支持的操作包括：
使用場景
Redis Set類型的使用場景包括：
- 標(biāo)簽系統(tǒng)：使用Set類型存儲每個標(biāo)簽對應(yīng)的對象列表，以便快速查找包含特定標(biāo)簽的對象。可以使用SADD、SREM、SISMEMBER、SMEMBERS等命令實現(xiàn)。
- 好友關(guān)系：將每個用戶的好友列表作為一個集合，可以使用SADD、SREM、SISMEMBER、SDIFF、SINTER、SUNION等命令實現(xiàn)。
- 共同好友：使用SINTER命令計算出兩個用戶的共同好友，可以使用SADD、SINTER、SUNION等命令實現(xiàn)。
- 排名系統(tǒng)：將每個用戶的得分作為元素值插入到集合中，使用ZADD、ZREM、ZRANK、ZSCORE等命令進(jìn)行排名操作，使用ZREVRANGE命令查詢排名前幾的用戶，可以使用ZADD、ZREM、ZRANK、ZSCORE、ZREVRANGE等命令實現(xiàn)。
- 訂閱關(guān)系：使用Set類型存儲用戶訂閱的內(nèi)容，以便快速獲取用戶訂閱的內(nèi)容。
總的來說，Set類型適用于需要存儲一組不重復(fù)的數(shù)據(jù)，并支持集合操作的場景。
內(nèi)部編碼
Redis Set類型的內(nèi)部編碼有兩種：
- intset（整數(shù)集合）：當(dāng)Set類型只包含整數(shù)類型的數(shù)據(jù)，并且元素數(shù)量較少（小于512個）時，Redis會使用intset作為Set類型的內(nèi)部編碼。intset是一種緊湊的、壓縮的整數(shù)集合結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省內(nèi)存空間，并且支持快速的查找、插入和刪除操作。在intset中，所有元素都按照從小到大的順序排列，并且可以使用不同的編碼方式（16位、32位、64位）存儲不同大小范圍內(nèi)的整數(shù)。
- hashtable（字典）：當(dāng)Set類型包含字符串類型或者元素數(shù)量較多時，Redis會使用hashtable作為Set類型的內(nèi)部編碼。hashtable是一種基于鏈表的哈希表結(jié)構(gòu)，可以快速地進(jìn)行隨機(jī)訪問、插入和刪除操作。在hashtable中，每個元素都被存儲為一個字符串，并且使用哈希函數(shù)將字符串映射到一個桶中，然后在桶中進(jìn)行查找、插入和刪除操作。
在實際使用中，當(dāng)Set類型的元素全部為整數(shù)類型時，建議使用intset編碼；而當(dāng)Set類型的元素包含非整數(shù)類型時，才使用hashtable編碼。
6. Zset（有序集合）
使用方式
Redis中的Zset（有序集合）是一個鍵值對集合，其中每個元素都關(guān)聯(lián)一個分值（score），通過分值進(jìn)行排序，可以看作是一個字典（dict）和一個跳躍列表（skip list）的混合體，它可以存儲多個相同的元素，但每個元素必須有一個唯一的score值。
支持的操作包括：
使用場景
Redis Zset是一種有序集合，其使用場景主要包括以下幾個方面：
- 排行榜：使用Zset類型可以實現(xiàn)排行榜功能，將每個用戶的得分作為元素值插入到集合中，使用ZADD、ZINCRBY、ZREM等命令進(jìn)行排名操作，使用ZRANGE、ZREVRANGE命令查詢排名前幾的用戶。
- 最近訪問記錄：使用Zset類型可以用于記錄最近訪問的記錄，將最新的訪問記錄插入集合中，使用ZREMRANGEBYRANK命令刪除最舊的記錄，使用ZRANGE命令查詢最近訪問的記錄。
- 計數(shù)器：Redis Zset可以用于實現(xiàn)計數(shù)器功能，比如統(tǒng)計某個頁面的訪問次數(shù)、統(tǒng)計某個廣告的點擊量等。將頁面ID或廣告ID作為成員(member)存儲在Zset中，以訪問次數(shù)或點擊量作為分?jǐn)?shù)(score)存儲。
- 好友關(guān)系：Redis Zset可以用于存儲用戶之間的關(guān)注關(guān)系以及用戶之間的互動，比如點贊、評論等。可以將用戶ID作為成員(member)存儲在Zset中，將時間戳或者其他標(biāo)識作為分?jǐn)?shù)(score)存儲，以此記錄用戶之間的互動情況。
內(nèi)部編碼
Redis Zset的內(nèi)部編碼有兩種：
- ziplist編碼：當(dāng)Zset中元素個數(shù)小于128個，并且所有元素的長度都小于64字節(jié)時，Redis會使用ziplist編碼存儲Zset。這種編碼方式可以節(jié)省內(nèi)存空間，并且可以提高存取效率，但是不支持隨機(jī)訪問和范圍查詢。
- skiplist編碼：當(dāng)Zset中元素個數(shù)大于等于128個，或者有一個元素的長度大于64字節(jié)時，Redis會使用skiplist編碼存儲Zset。這種編碼方式支持高效的隨機(jī)訪問和范圍查詢，但是需要占用更多的內(nèi)存空間。
7. Geo（地理位置）
使用方式
Redis Geo（地理位置）是一個鍵值對集合，其中每個元素都包含一個經(jīng)度和緯度，可以用于存儲地理位置信息并支持基于位置的搜索。Redis Geo支持的操作包括：
Redis Geo類型適用于需要存儲地理位置信息并支持基于位置的搜索的場景，比如附近的人、附近的商家等。
使用場景
Redis Geo類型的使用場景如下：
- 位置服務(wù)：用于存儲地理位置信息，如餐廳、商店、機(jī)場、醫(yī)院等的經(jīng)緯度信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢指定范圍內(nèi)的所有商家信息。
- 車輛監(jiān)控：用于車輛位置跟蹤和監(jiān)控，可以將車輛的經(jīng)緯度信息存儲在 Redis 中，并通過 Geo 庫提供的命令查詢車輛的位置，以及在指定半徑內(nèi)的其他車輛信息。
- 物流配送：用于存儲配送員的位置信息，以及需要配送的訂單信息的經(jīng)緯度信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢配送員在指定范圍內(nèi)的訂單信息，以提高配送效率。
- 電商推薦：用于存儲用戶的位置信息，以及商家和商品的經(jīng)緯度信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢指定范圍內(nèi)的商家和商品信息，以提供更加精準(zhǔn)的推薦服務(wù)。
- 游戲地圖：用于存儲游戲地圖的位置信息和玩家的位置信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢玩家在游戲地圖上的位置，以及在指定半徑內(nèi)的其他玩家信息，以提供更加豐富的游戲體驗。
- 社交應(yīng)用：用于存儲用戶的位置信息，以及附近的其他用戶的位置信息，可以通過 Geo 庫提供的命令查詢指定范圍內(nèi)的用戶信息，以提供更加精準(zhǔn)的社交服務(wù)。
內(nèi)部編碼
Redis Geo類型內(nèi)部使用zset來存儲地理位置信息，其中元素的score值為經(jīng)度，member值為經(jīng)緯度組合的字符串。在使用GEORADIUS和GEORADIUSBYMEMBER命令搜索元素時，Redis會構(gòu)建一個跳躍表，以實現(xiàn)高效的搜索。
8. HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計）
使用方式
Redis HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計）是一種基于概率統(tǒng)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于估計大型數(shù)據(jù)集合的基數(shù)（不重復(fù)元素的數(shù)量），以及對多個集合進(jìn)行并、交運算等。HyperLogLog的優(yōu)點是可以使用極少的內(nèi)存空間，同時可以保證較高的準(zhǔn)確性。
每個 HyperLogLog 鍵只需要花費 12 KB 內(nèi)存，就可以計算接近 2^64 個不同元素的基數(shù)。
使用場景
HyperLogLog的使用場景主要包括以下幾個方面：
- 用戶去重：使用HyperLogLog可以對海量的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行去重，快速地統(tǒng)計出不重復(fù)的用戶數(shù)量。
- 網(wǎng)站UV統(tǒng)計：使用HyperLogLog可以對網(wǎng)站的訪問日志進(jìn)行分析，統(tǒng)計出每天、每周、每月的獨立訪客數(shù)量。
- 廣告點擊統(tǒng)計：使用HyperLogLog可以對廣告的點擊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計出獨立點擊用戶的數(shù)量，以及對多個廣告進(jìn)行并、交運算等。
- 數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化：使用HyperLogLog可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重，減少查詢的數(shù)據(jù)量，提高查詢效率。
- 分布式計算：使用HyperLogLog可以在分布式系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、并、交等操作，以支持分布式計算。
使用HyperLogLog可以大大減少內(nèi)存占用和計算時間，是處理大數(shù)據(jù)量去重計數(shù)的有效工具。
內(nèi)部編碼
Redis HyperLogLog類型的內(nèi)部編碼使用的"稀疏矩陣"和”稠密矩陣“。
當(dāng)計數(shù)較少時，采用”稀疏矩陣“，其中絕大部分元素都是0。計數(shù)增多后，超過閾值后，會轉(zhuǎn)換成”稠密矩陣“。
9. Bitmaps（位圖）
使用方式
Redis Bitmaps（位圖）是一種緊湊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用于表示一個只有0和1的數(shù)組。位圖可以用于高效地存儲大規(guī)模的布爾值，以及進(jìn)行位運算、位圖圖形化等操作。Redis Bitmaps支持的操作包括：
使用場景
Redis Bitmaps適用于需要高效地存儲大規(guī)模的布爾值，并進(jìn)行位運算、統(tǒng)計等操作的場景。比如：
- 統(tǒng)計在線用戶數(shù)：使用Bitmaps類型來表示用戶的在線狀態(tài)，例如一個bit位表示一個用戶，當(dāng)用戶登錄時將對應(yīng)的bit位置為1，當(dāng)用戶退出時將其位置為0。這樣可以非常方便地進(jìn)行在線用戶的統(tǒng)計。
- 黑白名單統(tǒng)計：在網(wǎng)絡(luò)安全中，可以使用位圖記錄IP地址的訪問情況、黑白名單等信息。
- 統(tǒng)計用戶訪問行為：例如將每個頁面或功能點表示為一個bit位，用戶訪問時將對應(yīng)的bit位置為1，未訪問則為0。這樣就可以方便地統(tǒng)計用戶的訪問習(xí)慣，了解用戶對產(chǎn)品的喜好和熱點等信息。
- 布隆過濾器：這是最常用的場景，布隆過濾器是一種用于快速判斷某個元素是否在集合中的算法，在大數(shù)據(jù)量場景下其效率非常高。Redis的Bitmaps類型可以用來實現(xiàn)布隆過濾器，節(jié)約存儲空間，并提高查詢效率。
內(nèi)部編碼
Redis Bitmaps類型的內(nèi)部編碼使用了一種稱為“壓縮位圖”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它通過使用兩個數(shù)組來存儲位圖數(shù)據(jù)：一個存儲實際位的值，另一個存儲每個字節(jié)中1的個數(shù)。這種編碼方式可以大大壓縮位圖數(shù)據(jù)的大小。
