Redis数据结构详解

引言

Redis常用数据的9种数据结构如下所示

• 字符串（String）
• 列表（List）
• 集合（Set）
• 有序集合（Sorted Set）
• 哈希（Hash）
• 位图（Bitmap）
• HyperLogLog
• 流（Stream）
• 地理空间索引（Geospatial）

一、字符串

字符串是 Redis 中最基本、最常用的数据类型。一个字符串值可以包含任何数据，如文本、数字、二进制数据等，最大长度为 512MB。

1 常用命令

• SET key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX] ：设置指定键的值，可以选择设置过期时间、仅在键不存在时设置（NX）、仅在键存在时设置（XX）。
• GET key：获取指定键的值。
• DEL key：删除指定键。
• INCR key：对存储在指定键的值进行递增，要求该值为整数。
• DECR key：对存储在指定键的值进行递减操作，要求该值为整数。
• APPEND key value：将指定值追加到键的现有值后面。
• MGET key1 key2 … ：批量获取多个键值对。
• MSET key1 value1 key2 value2 … ：批量设置多个键值对。
• GETSET key value：将指定键的值设置为新值，并返回旧值。

2 应用场景

• 缓存：由于字符串的存取速度极快，广泛应用于缓存常用数据，如网页内容、用户会话等。
• 计数器：使用 INCR/DECR 命令可以高效地实现访问计数器、点赞数等。
• 分布式锁：通过 SET 命令的 NX 选项，可以实现简单的分布式锁机制。
• 存储小量数据：例如用户的基本信息、配置参数等。

3 注意事项

• 内存限制：虽然单个字符串最大可达 512MB，但实际使用中需注意 Redis 的内存容量和内存分配策略。
• 数据类型一致性：在使用 INCR/DECR 等命令时，确保键对应的值是整数类型，否则会引发错误。

二、列表

列表是 Redis 中的一种简单的有序集合，内部使用双向链表实现。列表中的元素按插入顺序排列，允许重复的元素。Redis提供了一系列操作命令，可以在列表的头部或尾部插入、删除元素，也可以进行范围查询等操作。

1 常用命令

• LPUSH key value [value …] ： 将一个或多个值插入到列表的头部。
• RPUSH key value [value …] ：将一个或多个值插入到列表的尾部。
• LPOP key：从列表的头部移除并返回元素。
• RPOP key：从列表的尾部移除并返回元素。
• LRANGE key start stop：返回列表指定范围内的元素。
• LLEN key：获取列表的长度。
• LREM key count value：根据给定的值，从列表中移除元素，count参数定义移除的数量和方向。
• LTRIM key start stop：对列表进行修剪，只保留指定范围内的元素。
• LINDEX key index：获取列表中指定位置的元素。
• LINSERT key BEFORE|AFTER pivot value：在列表中指定元素的前或后插入新的元素。

2 应用场景

• 消息队列：由于列表支持先进先出（FIFO）和后进先出（LIFO）的操作，可以用作简单的消息队列。
• 任务调度：将任务放入列表中，通过消费者从列表中取出并处理，实现任务的分发和调度。
• 排行榜：结合其它数据结构，可以实现简单的排行榜功能。
• 实时聊天：存储近期的聊天记录或消息日志。

3 注意事项

• 内存消耗：由于列表底层使用双向链表实现，对于大量元素的列表可能会消耗较多内存。
• 性能问题：频繁地在列表的中间进行插入或删除操作，可能会影响性能，建议尽量在两端进行操作。

三、集合

集合是一种无序的、唯一性的元素集合。Redis 中的 Set 使用哈希表来实现，因此具有快速的成员查找、添加和删除等操作。集合支持丰富的集合运算，如求交集、并集和差集，非常适合处理无序且不重复的数据。

1 常用命令

• SADD key member [member …] ：向集合添加一个或多个成员。
• SREM key member [member …] ：从集合中移除一个或多个成员。
• SMEMBERS key：返回集合中的所有成员。
• SISMEMBER key member：判断指定成员是否是集合的成员。
• SCARD key：获取集合的成员数量。
• SRANDMEMBER key [count] ：随机返回集合中的一个或多个成员。
• SINTER key [key …] ：计算多个集合的交集
• SUNION key [key …] ：计算多个集合的并集
• SDIFF key [key …] ：分别计算多个集合的差集。
• SMOVE source destination member：将成员从一个集合移动到另一个集合。

2 应用场景

• 标签系统：为对象打上多个标签，并通过集合运算实现标签的交叉查询。
• 社交网络：保存用户的关注列表、粉丝列表等，利用集合的唯一性特性防止重复。
• 推荐系统：通过计算用户行为集合的交集或并集，生成个性化推荐。
• 权限管理：存储用户的权限集合，通过集合运算实现权限的继承和组合。

3 注意事项

• 无序性：集合不保证元素的顺序，如果需要有序的数据，请考虑使用其他数据类型如有序集合。
• 唯一性：集合中的元素是唯一的，如果需要存储重复的数据，需要使用其他数据结构或在元素中添加唯一标识符。
• 内存优化：对于大量元素的集合，可以通过RDB或AOF持久化策略进行优化，减少内存消耗。

四、有序集合

有序集合是在集合的基础上增加了“权重”或者“分数”（score）概念的集合类型。每个元素在有序集合中都关联一个分数，Redis通过分数对集合中的元素进行排序。内部实现采用跳表（Skip List）数据结构，允许高效的范围查询和排名操作。

1 常用命令

• ZADD key [NX|XX] [CH] [INCR] score member [score member …] ：向有序集合添加一个或多个成员，或者更新成员的分数。
• ZREM key member [member …] ：移除一个或多个成员。
• ZINCRBY key increment member：为有序集合中的成员的分数加上指定的增量值。
• ZRANGE key start stop [WITHSCORES] ：返回有序集合中指定范围内的成员，按分数正序排列。
• ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES] ：返回有序集合中指定范围内的成员，按分数逆序排列。
• ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count] ：返回有序集合中分数在指定范围内的成员。ZREVRANGEBYSCORE key max min [WITHSCORES] [LIMIT offset count] ：返回有序集合中分数在指定范围内的成员。
• ZSCORE key member：返回成员的分数。ZCARD key：获取有序集合的成员数量。
• ZCOUNT key min max：统计有序集合中分数在指定范围内的成员数量。
• ZRANK key member：返回成员在有序集合中的排名，从小到大
• ZREVRANK key member：返回成员在有序集合中的排名，从大到小。
• ZUNIONSTORE destination numkeys key [key …] [WEIGHTS weight [weight …]] [AGGREGATE SUM|MIN|MAX] ：对多个有序集合进行并集运算，并将结果存储到目标键。
• ZINTERSTORE destination numkeys key [key …] [WEIGHTS weight [weight …]] [AGGREGATE SUM|MIN|MAX] ：对多个有序集合进行交集运算，并将结果存储到目标键。

2 应用场景

• 排行榜：有序集合非常适合实现游戏排行榜、销售排行等功能，通过分数来定义排名。
• 延时队列：利用分数表示任务的执行时间，实现延时任务的调度。
• 推荐系统：通过分数表示推荐的相关性或优先级，动态调整推荐结果。
• 地理位置排名：结合地理空间索引，按照距离或其他指标对地理位置进行排序。
• 计时任务：存储定时任务的执行时间，并根据当前时间触发相应的任务。

3 注意事项

• 分数的唯一性：有序集合中的成员可以有相同的分数，但成员本身必须唯一。
• 分数的精度：分数是双精度浮点数，可能存在精度问题，需在应用层面做好相应处理。
• 性能优化：对于大量的有序集合操作，合理使用 pipeline 或批量操作命令，提升性能。

五、哈希

哈希是 Redis 中用于存储键值对映射的数据类型。类似于编程语言中的字典、Map 或对象，哈希适合存储对象的属性信息。内部实现使用哈希表或者压缩列表（ziplist），当字段数量较少时，使用压缩列表可以节省内存。

1 常用命令

• HSET key field value [field value …] : 向哈希中设置一个字段及其值
• HMSET key field value [field value …] ：向哈希中设置多个字段及其值
• HGET key field：获取哈希中指定字段的值
• HMGET key field [field …] ：获取哈希中多个字段的值
• HDEL key field [field …] ：删除哈希中的一个或多个字段
• HEXISTS key field：判断哈希中是否存在指定字段HLEN key：获取哈希中字段的数量
• HGETALL key：获取哈希中所有的字段和值
• HINCRBY key field increment：为哈希中的整数字段值加上指定的增量
• HINCRBYFLOAT key field increment：为哈希中的浮点数字段值加上指定的增量
• HKEYS key：分别获取哈希中的所有字段名
• HVALS key：分别获取哈希中的所有字段值
• HSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count]：遍历哈希中的字段和值

2 应用场景

• 对象存储：将对象的属性存储在哈希中，方便获取和修改单个属性。
• 会话管理：存储用户会话信息，如登录状态、权限等。
• 配置管理：存储应用的配置信息，通过哈希的字段结构组织数据。
• 统计数据：记录页面访问次数、用户行为等统计信息。

3 注意事项

• 字段数量：哈希在字段数量较少时性能和内存消耗较优，字段过多时可能不如使用字符串或有序集合高效。
• 数据一致性：在分布式环境中，更新哈希的某个字段时需注意数据的一致性和并发控制。
• 持久化策略：针对频繁更新的哈希数据，需合理配置Redis的持久化策略，避免数据丢失。

六、位图

位图并不是 Redis 官方的数据类型，而是基于字符串数据类型的二进制位操作，通过对字符串进行位级别的操作，实现高效的位图功能。位图适合用于存在性判断、布隆过滤器、用户签到等场景

1 常用命令

• SETBIT key offset value：将指定偏移量的位设置为0或1。
• GETBIT key offset：获取指定偏移量的位的值。
• BITCOUNT key [start end] ：统计位图中值为1的位数量，可以指定范围。
• BITOP operation destkey key [key …] ：对多个位图进行位操作，如AND、OR、XOR、NOT，并将结果存储到目标键。
• BITPOS key bit [start] [end] ：查找位图中第一个或最后一个指定值的位的位置。

2 应用场景

• 用户签到：通过位图表示用户的每日签到状态，高效存储和查询。
• 在线状态：记录用户的在线状态，通过位图快速判断用户是否在线。
• 侵入检测：利用位图进行数据的快速存在性检测，如防止重复提交。
• 布隆过滤器：与哈希算法结合，实现高效的布隆过滤器，用于防止缓存穿透等问题。

3 注意事项

• 偏移量管理：需要合理管理位图的偏移量，确保数据的一致性和正确性。
• 内存优化：位图基于字符串实现，设置较高的偏移量会导致内存浪费，需根据实际需求设计位图的大小。
• 原子性操作：Redis的位图操作是原子性的，但复杂的位操作需要在应用层进行逻辑控制。

七、HyperLogLog

HyperLogLog是一种用于基数估算的数据结构，Redis通过内置支持 HyperLogLog，实现了高效的基数统计功能。HyperLogLog在内存消耗极低的情况下，可以近似计算大规模数据的基数（如唯一用户数），但不支持删除操作。

1 常用命令

• PFADD key element [element …]：将元素添加到HyperLogLog中。
• PFCOUNT key [key …]：返回一个或多个HyperLogLog的数据基数估算。
• PFMERGE destkey sourcekey [sourcekey …]：合并多个HyperLogLog，并将结果存储到目标键。

2 应用场景

• UV统计：统计网站或应用的独立访客（Unique Visitors）。
• 数据去重：快速估算大规模数据的去重基数。
• 实时分析：在实时数据流中进行基数统计，如消息队列中的唯一消费者数。
• 推荐系统：计算用户的独特行为，如浏览的独特商品数量。

3 注意事项

• 精度问题：HyperLogLog提供的是基数的近似值，误差在±0.81%左右，适用于大规模数据的估算场景。
• 不可删除：一旦元素被添加到HyperLogLog中，无法单独删除元素，适用于无需精确删除的场景。
• 多键合并：PFMERGE操作会合并多个HyperLogLog的数据，适用于分布式统计的合并需求。

八、流

流是 Redis 5.0 引入的一种新的数据类型，用于处理消息队列和事件流。流支持消息的生产和消费，具有持久化、可靠性和可扩展性等特性。内部通过双端链表和索引实现，支持消费者组、消息确认等功能。

1 常用命令

• XADD key [MAXLEN ~|= maxlen] * field value [field value …]：向流中添加一条消息，可以限制流的长度。
• XLEN key：获取流的长度，即消息数量。
• XRANGE key start end [COUNT count]：按时间范围获取流中的消息，支持正向遍历。
• XREVRANGE key end start [COUNT count]：按时间范围获取流中的消息，支持反向遍历。
• XREAD [COUNT count] [BLOCK milliseconds] STREAMS key [key …] id [id …]：阻塞读取流中的新消息。
• XGROUP CREATE key groupname id [MKSTREAM]：消费者组管理命令。
• XGROUP SETID key groupname id：消费者组管理命令。
• XGROUP DELGROUP key groupname：消费者组管理命令。
• XREADGROUP groupname consumer [COUNT count] [BLOCK milliseconds] STREAMS key [key …] id [id …]：消费者组内部的阻塞读取命令。
• XACK key groupname id [id …]：确认消息已被消费。
• XPENDING key groupname [start end count] [consumer]：查看消费者组的待处理消息。
• XDEL key id [id …]：删除指定消息或修剪流长度。
• XTRIM key MAXLEN ~|= maxlen：删除指定消息或修剪流长度。

2 应用场景

• 消息队列：实现可靠的消息队列，支持消息的持久化和消费者组的负载均衡。
• 实时数据流处理：处理实时生成的数据流，如日志收集、事件追踪等。
• 通知系统：实现实时通知推送，如即时通讯、系统告警等。
• 任务调度：将任务以消息的形式放入流中，由消费者组分发和处理任务。

3 注意事项

• 消费确认：使用消费者组时，需要正确进行消息的确认（XACK），以避免消息丢失或重复消费。
• 流长度控制：通过XADD命令的MAXLEN选项或XTRIM命令定期修剪流的长度，防止数据无限增长。
• 消费者组管理：合理设计消费者组和消费者数量，避免消费者过多导致的性能问题。
• 持久化策略：由于流支持持久化，需要根据业务需求合理配置RDB或AOF持久化策略。

九、地理空间索引

Redis 的地理空间索引基于有序集合实现，通过经纬度数据存储和地理空间计算，支持距离查询和范围查询。常用于实现基于地理位置的应用，如附近的人/商家、地图导航等。

1 常用命令

• GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member …]：向地理空间索引中添加成员及其经纬度信息。
• GEODIST key member1 member2 [unit]：计算两个成员之间的距离，可以指定单位（米、千米、英里、英尺）。
• GEORADIUS key longitude latitude radius unit [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ORDER ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]：根据给定的经纬度坐标和半径，查找在指定范围内的成员，可以选择返回坐标、距离、哈希值等附加信息。
• GEORADIUSBYMEMBER key member radius unit [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ORDER ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]：根据给定的经纬度坐标和半径，查找在指定范围内的成员，可以选择返回坐标、距离、哈希值等附加信息。
• GEOHASH key member [member …]：返回一个或多个成员的Geohash编码。
• GEOPOS key member [member …]：返回一个或多个成员的经纬度坐标。
• GEOSEARCH key FROMMEMBER member BYRADIUS radius unit [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC]：基于成员或指定经纬度进行地理空间搜索。
• GEOSEARCH key FROMLONLAT longitude latitude BYRADIUS radius unit [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC]：基于成员或指定经纬度进行地理空间搜索。

2 应用场景

• 位置服务：实现基于位置的服务，如查找附近的餐厅、加油站、医院等。物流配送：
• 优化配送路线，根据地理位置进行调度和分配。
• 社交网络：查找附近的好友、动态或活动。游戏开发：实现基于位置的游戏元素，如寻宝、位置打卡等。

3 注意事项

• 精度选择：通过 GEORADIUS 命令的 unit 参数选择合适的距离单位，确保计算的精度和性能。
• 数据分布：合理分布地理空间坐标，避免数据过于集中导致性能瓶颈。
• 索引维护：在添加或删除地理空间数据时，确保有序集合的索引被正确维护，避免数据不一致。
• 距离计算：GEODIST命令基于地球的球面模型进行距离计算，不适用于需要高度精确距离的场景。

编辑：玄魄灵归