Redis 数据结构:高频面试题及解析
概述
Redis 是速度非常快的非关系型(NoSQL)内存键值数据库,可以存储键和五种不同类型的值之间的映射。
键的类型只能为字符串,值支持五种数据类型:字符串、列表、集合、散列表、有序集合。
Redis 支持很多特性,例如将内存中的数据持久化到硬盘中,使用复制来扩展读性能,使用分片来扩展写性能。
数据类型
| 数据类型 | 可以存储的值 | 操作 |
|---|---|---|
| STRING | 字符串、整数或者浮点数 | 对整个字符串或者字符串的其中一部分执行操作,对整数和浮点数执行自增或者自减操作 |
| LIST | 列表 | 从两端压入或者弹出元素,对单个或者多个元素进行修剪,只保留一个范围内的元素 |
| SET | 无序集合 | 添加、获取、移除单个元素,检查一个元素是否存在于集合中,计算交集、并集、差集,从集合里面随机获取元素 |
| HASH | 包含键值对的无序散列表 | 添加、获取、移除单个键值对,获取所有键值对,检查某个键是否存在 |
| ZSET | 有序集合 | 添加、获取、删除元素,根据分值范围或者成员来获取元素,计算一个键的排名 |
STRING
Redis 的 String 类型使用 SDS(简单动态字符串)作为底层的数据结构实现。SDS 与 C 字符串有所不同,它不仅可以保存文本数据,还可以保存二进制数据。这是因为 SDS 使用 len 属性的值而不是空字符来判断字符串是否结束,并且 SDS 的所有 API 都会以处理二进制的方式来处理 SDS 存放在 buf[] 数组里的数据。因此,SDS 不仅能存放文本数据,还能保存图片、音频、视频、压缩文件等二进制数据。
另外,Redis 的 SDS API 是安全的,拼接字符串不会造成缓冲区溢出。这是因为 SDS 在拼接字符串之前会检查 SDS 空间是否满足要求,如果空间不够会自动扩容,从而避免了缓冲区溢出的问题。
此外,获取字符串长度的时间复杂度是 O(1),因为 SDS 结构里用 len 属性记录了字符串长度,所以获取长度的复杂度为 O(1)。相比之下,C 语言的字符串并不记录自身长度,所以获取长度的复杂度为 O(n)。这些特性使得 SDS 成为 Redis 的一个重要组成部分。
> set hello world
OK
> get hello
"world"
> del hello
(integer) 1
> get hello
(nil)
LIST
Redis 的 List 类型底层数据结构可以由双向链表或压缩列表实现。如果列表元素个数小于 512 个且每个元素的值都小于 64 字节,则 Redis 会使用压缩列表作为底层数据结构;否则,Redis 会使用双向链表作为底层数据结构。然而,在 Redis 3.2 版本之后,List 类型底层数据结构只由 quicklist 实现,代替了双向链表和压缩列表。
> rpush list-key item
(integer) 1
> rpush list-key item2
(integer) 2
> rpush list-key item
(integer) 3> lrange list-key 0 -1
1) "item"
2) "item2"
3) "item"> lindex list-key 1
"item2"> lpop list-key
"item"> lrange list-key 0 -1
1) "item2"
2) "item"
SET
Set 类型的底层数据结构可以是哈希表或整数集合。当集合中的元素都是整数并且元素个数小于512时,Redis使用整数集合作为Set类型的底层数据结构;否则,Redis使用哈希表作为Set类型的底层数据结构。
> sadd set-key item
(integer) 1
> sadd set-key item2
(integer) 1
> sadd set-key item3
(integer) 1
> sadd set-key item
(integer) 0> smembers set-key
1) "item"
2) "item2"
3) "item3"> sismember set-key item4
(integer) 0
> sismember set-key item
(integer) 1> srem set-key item2
(integer) 1
> srem set-key item2
(integer) 0> smembers set-key
1) "item"
2) "item3"
HASH
Redis 中的 Hash 类型的底层数据结构可以是压缩列表或哈希表。如果元素个数小于 512 个且每个元素的值都小于 64 字节,Redis 会使用压缩列表作为底层数据结构;否则会使用哈希表。在 Redis 7.0 中,压缩列表已经废弃,改用 listpack 数据结构来实现。
> hset hash-key sub-key1 value1
(integer) 1
> hset hash-key sub-key2 value2
(integer) 1
> hset hash-key sub-key1 value1
(integer) 0> hgetall hash-key
1) "sub-key1"
2) "value1"
3) "sub-key2"
4) "value2"> hdel hash-key sub-key2
(integer) 1
> hdel hash-key sub-key2
(integer) 0> hget hash-key sub-key1
"value1"> hgetall hash-key
1) "sub-key1"
2) "value1"
ZSET
Zset 类型的底层数据结构可以是压缩列表或跳表。
如果有序集合的元素个数小于 128 个,且每个元素的值小于 64 字节,则 Redis 会使用压缩列表作为 Zset 类型的底层数据结构。
如果有序集合的元素个数大于等于 128 个或者每个元素的值大于等于 64 字节,则 Redis 会使用跳表作为 Zset 类型的底层数据结构。
需要注意的是,Redis 7.0 中废弃了压缩列表数据结构,改用 listpack 数据结构来实现。
> zadd zset-key 728 member1
(integer) 1
> zadd zset-key 982 member0
(integer) 1
> zadd zset-key 982 member0
(integer) 0> zrange zset-key 0 -1 withscores
1) "member1"
2) "728"
3) "member0"
4) "982"> zrangebyscore zset-key 0 800 withscores
1) "member1"
2) "728"> zrem zset-key member1
(integer) 1
> zrem zset-key member1
(integer) 0> zrange zset-key 0 -1 withscores
1) "member0"
2) "982"
最后
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