Redis 笔记

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#redis #数据库 #缓存

于 2023-01-30 17:15:40 首次发布

Redis常用命令

1. String（字符串）

SET key value：设置键值对（若key已存在则覆盖）。
GET key：获取键对应的值（若key不存在返回nil）。
NCR key：将键的值递增1（仅适用于整数，若key不存在则初始化为0再递增）。
DECR key：将键的值递减1（仅适用于整数）。
APPEND key value：在键对应值的末尾追加字符串（若key不存在则创建）。
STRLEN key：获取键对应值的长度（字节长度，二进制安全）。
SETEX key seconds value：设置键值对并指定过期时间（秒，过期后自动删除）。
SETNX key value：仅在键不存在时设置值（用于实现分布式锁，返回1表示设置成功，0表示key已存在）。

2. Hash（哈希）

HSET key field value：设置哈希表中指定字段的值（若key不存在则创建，字段已存在则覆盖）。
HGET key field：获取哈希表中指定字段的值（若key或field不存在返回nil）。
HMSET key field1 value1 field2 value2：批量设置哈希表的多个字段值（效率高于多次调用HSET）。
HMGET key field1 field2：批量获取哈希表的多个字段值（返回列表，顺序与请求一致）。
HDEL key field1 field2：删除哈希表中的一个或多个字段（返回实际删除的字段数）。

3. List（列表）

LPUSH key value1 value2：将一个或多个值插入列表头部（左侧）（若key不存在则创建空列表）。
RPUSH key value1 value2：将一个或多个值插入列表尾部（右侧）（若key不存在则创建空列表）。
LPOP key：移除并返回列表头部的元素（若key不存在返回nil）。
RPOP key：移除并返回列表尾部的元素（若key不存在返回nil）。
LRANGE key start stop：获取列表指定范围内的元素（start/stop为索引，0表示头部，-1表示尾部，支持负数倒序）。
LLEN key：获取列表的长度（元素个数）。

4. Set（集合）

SADD key member1 member2：向集合中添加一个或多个成员（已存在的成员将被忽略，返回实际添加的成员数）。
SMEMBERS key：获取集合中的所有成员（返回列表，无序）。
SREM key member1 member2：移除集合中的一个或多个成员（返回实际移除的成员数）。
SISMEMBER key member：检查成员是否存在于集合中（存在返回1，不存在返回0）。
SINTER key1 key2：返回多个集合的交集（元素同时存在于所有集合中）。
SUNION key1 key2：返回多个集合的并集（元素存在于任一集合中）。
SDIFF key1 key2：返回多个集合的差集（元素存在于第一个集合但不在其他集合中）。

5. Zset（有序集合）
Zset 是有序唯一字符串集合（元素不重复），每个元素关联一个分数（score），按分数从小到大排序（分数可重复）。常用命令围绕有序操作：

ZADD key score1 member1 score2 member2：向有序集合中添加一个或多个成员及分数（若key不存在则创建，成员已存在则更新分数，返回实际添加的成员数）。
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：按分数升序返回指定索引范围内的成员（WITHSCORES 表示同时返回分数）。
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]：按分数降序返回指定索引范围内的成员（WITHSCORES表示同时返回分数）。
ZREM key member1 member2：移除有序集合中的一个或多个成员（返回实际移除的成员数）。
ZCOUNT key min max：统计有序集合中分数在[min, max]范围内的成员数。

Redis 数据类型（底层）

全局哈希表

Redis 使用了一个哈希表来保存所有键值对。

一个哈希表，其实就是一个数组，数组的每个元素称为一个哈希桶。每个哈希桶中保存了键值对数据。

哈希桶中的元素保存的并不是值本身，而是指向具体值的指针。

在下图中，可以看到，哈希桶中的 entry 元素中保存了 key 和 value 指针，分别指向了实际的键和值，这样一来，即使值是一个集合，也可以通过 value 指针被查找到。

在这里插入图片描述

哈希表的最大好处很明显，就是让我们可以用 O(1) 的时间复杂度来快速查找到键值对——我们只需要计算键的哈希值，就可以知道它所对应的哈希桶位置，然后就可以访问相应的 entry 元素。

这个查找过程主要依赖于哈希计算，和数据量的多少并没有直接关系。也就是说，不管哈希表里有 10 万个键还是 100 万个键，我们只需要一次计算就能找到相应的键。

哈希冲突怎么解决?

两个 key 的哈希值和哈希桶计算对应关系时，正好落在了同一个哈希桶中。

Redis 解决哈希冲突的方式，就是链式哈希。链式哈希也很容易理解，就是指同一个哈希桶中的多个元素用一个链表来保存，它们之间依次用指针连接。

如下图所示：entry1、entry2 和 entry3 都需要保存在哈希桶 3 中，导致了哈希冲突。此时，entry1 元素会通过一个 next 指针指向 entry2 ，同样， entry2 也会通过next指针指向 entry3。这样一来，即使哈希桶 3 中的元素有 100 个，我们也可以通过 entry 元素中的指针，把它们连起来。这就形成了一个链表，也叫作哈希冲突链。
在这里插入图片描述

Rehash

如果哈希表里写入的数据越来越多，哈希冲突可能也会越来越多，这就会导致某些哈希冲突链过长，进而导致这个链上的元素查找耗时长，效率降低。

所以，Redis 会对哈希表做 rehash 操作。rehash 也就是增加现有的哈希桶数量，让逐渐增多的 entry 元素能在更多的桶之间分散保存，减少单个桶中的元素数量，从而减少单个桶中的冲突。

简单来说就是在第二步拷贝数据时，Redis 仍然正常处理客户端请求，每处理一个请求时，从哈希表 1 中的第一个索引位置开始，顺带着将这个索引位置上的所有 entries 拷贝到哈希表 2 中；等处理下

在这里插入图片描述

String

string 可以存储任意类型的数据，比如文本、数字、图片或者序列化的对象。

一个 string 类型的键最大可以存储 512 MB 的数据。

简单动态字符串 SDS

string 类型的底层实现是 SDS（simple dynamic string），它是一个动态字符串结构，由长度、空闲空间和字节数组三部分组成:

在这里插入图片描述

字符串长度处理：Redis获取字符串长度，时间复杂度为O(1)，而C语言中，需要从头开始遍历，复杂度为O（n）;
空间预分配：字符串修改越频繁的话，内存分配越频繁，就会消耗性能，而SDS修改和空间扩充，会额外分配未使用的空间，减少性能损耗。
惰性空间释放：SDS 缩短时，不是回收多余的内存空间，而是free记录下多余的空间，后续有变更，直接使用free中记录的空间，减少分配。
二进制安全：Redis可以存储一些二进制数据，在C语言中字符串遇到’\0’会结束，而 SDS中标志字符串结束的是len属性。

什么是二进制安全？
通俗讲，C语言中，用’\0’表示字符串的结束，如果字符串中本身就有’\0’字符，字符串就会被截断，即非二进制安全；
若通过某种机制，保证读写字符串时不损害其内容，则为二进制安全。

SDS 有 3 种编码类型：

embstr：占用 64Bytes 的空间，存储 44Bytes 的数据
raw：存储大于 44Bytes 的数据
int：存储整数类型

embstr 和 raw 存储字符串数据，int 存储整型数据

embstr 结构

embstr 结构存储小于等于44个字节的字符串，embstr 每次开辟 64byte 的空间。

在这里插入图片描述
raw 结构

在这里插入图片描述

embstr 和 raw 的转换

在存储字符串的时候，redis会根据数据的长度判断使用哪种结构：

如果长度小于等于44个字节，就会选择embstr 结构
如果长度大于44个byte，就会选择raw结构

在这里插入图片描述

127.0.0.1:6379> object encoding str
"embstr"

# str赋值44个字节的字符串
127.0.0.1:6379> set str 1234567890123456789012345678901234567890abcd
OK
127.0.0.1:6379> object encoding str
"embstr"

# str2赋值45个字节的字符串
127.0.0.1:6379> set str2 1234567890123456789012345678901234567890abcde
OK
127.0.0.1:6379> object encoding str2
"raw"

127.0.0.1:6379> set num 123
OK
127.0.0.1:6379> object encoding num
"int"

Hash

hash 是一个键值对集合，它可以存储多个字段和值，类似于编程语言中的 map 对象。一个 hash 类型的键最多可以存储 2^32 - 1 个字段。

Hash类型的底层实现有三种：

ziplist：压缩列表，当 hash 达到一定的阈值时，会自动转换为 hashtable 结构
listpack：紧凑列表，在 Redis7.0 之后，listpack 正式取代 ziplist。同样的，当 hash 达到一定的阈值时，会自动转换为 hashtable 结构
hashtable：哈希表，类似 map

ziplist（redis7.0之前使用）
listpack（redis7.0之后使用）

ziplist 结构

ziplist 是一种 紧凑的链表 结构，它将所有的字段和值顺序地存储在一块连续的内存中。
在这里插入图片描述

typedef struct {
   
   
  /* 当使用字符串时,slen表示为字符串长度 */
  unsigned char *sval;
  unsigned int slen;
  /* 当使用整形时，sval为NULL,lval为ziplistEntry的value */
  long long lval;
} ziplistEntry;

listpack 结构

在这里插入图片描述

hashTable

hashTable是一种散列表结构，它将字段和值分别存储在两个数组中，并通过哈希函数计算字段在数组中的索引
在这里插入图片描述

struct dict {
   
   
    dictType *type;
    dictEntry **ht_table[2];
    unsigned long ht_used[2];
    long rehashidx; /* 当进行rehash时，rehashidx为-1 */
    int16_t pauserehash; /* 如果rehash暂停，pauserehash则大于0，（小于0表示代码错误）*/
    signed char ht_size_exp[2]; /* 哈希桶的个数(size = 1<<exp) */
};

typedef struct dict {
   
   
    dictEntry **table;
    dictType *type;
    unsigned long size;
    unsigned long sizemask;
    unsigned long used;
    void *privdata;
} dict;

typedef struct dictEntry {
   
   
    void *key;
    void *val;
    struct dictEntry *next;
} dictEntry;

ziplist 和 hashTable 的转换

在这里插入图片描述

127.0.0.1:6379> hset h1 id 123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890abcd
(integer) 1
127.0.0.1:6379> object encoding h1
"ziplist"
127.0.0.1:6379> hset h2 id 123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890abcde
(integer) 1
127.0.0.1:6379> object encoding h2
"hashtable"

hashTable变得越来越长怎么办
扩容，hashTabel是怎么扩容的？使用的是渐进式扩容rehash。rehash会重新计算哈希值，且将哈希桶的容量扩大。

rehash 步骤
在这里插入图片描述

List（底层）

list 是一个有序的字符串列表，它按照插入顺序排序，并且支持在两端插入或删除元素。一个 list 类型的键最多可以存储 2^32 - 1 个元素。

redis3.2 以后，list 类型的底层实现只有一种结构，就是 quicklist

在讲解list结构之前，需要先说明一下list结构编码的更替，如下

在Redis3.2之前，list使用的是linkedlist和ziplist
在Redis3.2~Redis7.0之间，list使用的是quickList，是linkedlist和ziplist的结合
在Redis7.0之后，list使用的也是quickList，只不过将ziplist转为listpack，它是listpack、linkedlist结合版

linkedlist 与 ziplist

在 Redis3.2 之前，linkedlist 和 ziplist 两种编码可以选择切换，它们之间的转换关系如图:
在这里插入图片描述
同样地，ziplist 转为 linkedlist 的条件可在 redis.conf 配置:

list-max-ziplist-entries 512
list-max-ziplist-value 64

quickList（ziplist、linkedlist结合版）

quicklist 存储了一个双向列表，每个列表的节点是一个ziplist，所以实际上 quicklist 并不是一个新的数据结构，它就是 linkedlist 和 ziplist 的结合，然后被命名为快速列表。
在这里插入图片描述

quickList（listpack、linkedlist结合版）

和Hash结构一样，因为ziplist有连锁更新问题，redis7.0 将 ziplist 替换为 listpack，下面是新 quickList 的结构图
在这里插入图片描述

Set（底层）

在讲解set结构之前，需要先说明一下set结构编码的更替，如下

在 Redis7.2 之前，set 使用的是 intset 和 hashtable
在 Redis7.2 之后，set 使用的是 intset

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Redis常用命令

Redis 数据类型（底层）

全局哈希表

String

简单动态字符串 SDS

Hash

ziplist 结构

listpack 结构

hashTable

ziplist 和 hashTable 的转换

List（底层）

linkedlist 与 ziplist

quickList（ziplist、linkedlist结合版）

quickList（listpack、linkedlist结合版）

Set（底层）

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