redis資料類型及應用程式場景

redis資料型別及應用場景

Redis支援5種資料型別：string（字串），hash（雜湊），list （列表），set（集合）及zset(sorted set：有序集合)。

1、string

簡介：Strings資料類型是最常用、簡單的key-value類型，普通的key/ value 儲存都可以歸為此。 value不只可以是字串，也可以是數字。因為是二進位安全的，所以你完全可以把一個圖片檔案的內容當作string來儲存。 Redis的string可以完全實現目前memcached的功能，並且效率更高。除了提供與Memcached 一樣的get、set、incr、decr 等操作外，Redis還額外提供了下面一些操作：

1. 取得字串長度

2. 往字串append內容

3. 設定與取得字串的某一段內容

4. 設定及取得字串的某一位（bit）

5. 批次設定一系列字串的內容

常用指令: set,get,decr,incr,mget 等。

應用場景：

1. 應用 Memcached和CKV的所有場景。字串和數字直接存取。結構化資料需要先序列化，再set到value；對應的，get到value後要反序列化。

2. 可以利用redis的INCR、INCRBY、DECR、DECRBY等指令來實現原子計數的效果。即可以用來實現業務上的統計計數需求。也可用於實作idmaker，即產生全域唯一的id。

3. 存放session key，實作一個分散式session系統。 Redis的key可以方便地設定過期時間，用於實現session key的自動過期。驗證skey時先根據uid路由到對應的redis，如取不到skey，則表示skey已過期，需要重新登入；如取到skey且校驗通過則升級此skey的過期時間即可。

4. Set nx或SetNx，僅當key不存在時才Set。可以用來選出Master或實作分散式鎖定：所有Client不斷嘗試使用SetNx master myName搶註Master，成功的那位不斷使用Expire刷新它的過期時間。如果Master掛掉了key就會失效，剩下的節點又會發生新一輪搶奪。

5. 借助redis2.6開始支援的lua腳本，可以實現更安全的2種分散式鎖定：一種適用於各進程競爭但總是單一進程獲取鎖並處理的場景。除非原處理程序掛掉因而鎖過期才會被其它程序取得到鎖。無須主動解鎖。透過get、expire/pexpire、setnx ex| px的lua腳本實作；一種適用於各流程競爭取得鎖定並處理的場景。透過set nx ex| px取得鎖，用完需要先get判斷再del釋放鎖，否則在鎖過期之前不能取得到鎖。

6. GetSet， 設定新值，傳回舊值。例如實作一個計數器，可以用GetSet取得計數並重置為0。

7. GetBit/SetBit/BitOp/BitCount， BitMap的玩法，例如統計今天的獨立存取用戶數時，每個註冊用戶都有一個offset，他今天進來的話就把他那個位設為1，用BitCount就可以得出今天的總人數。

8. Append/SetRange/GetRange/StrLen，對文字進行擴展、替換、截取和求長度，對特定資料格式非常有用。

實作方式：String在redis內部儲存預設就是一個字串，被redisObject所引用，當遇到incr,decr等操作時會轉成數值類型進行計算，此時redisObject的encoding欄位為int 。

二、Hash

簡介：Hash存的是字串和字串值之間的對應。 Hash將物件的各個屬性存入Map裡，可以只讀取/更新物件的某些屬性。這樣有些屬性超長就讓它一邊呆著不動，另外不同的模組可以只更新自己關心的屬性而不會互相並發導致覆蓋衝突。

常用指令：hget,hset,hgetall 等。

應用程式場景：

1. 存放結構化數據，例如使用者資訊。在Memcached或CKV中，對於使用者資訊例如使用者的暱稱、年齡、性別、積分等，我們需要先序列化後儲存為字串的值，這時候在需要修改其中某一項時，通常需要將所有值取出反序列化後，修改某一項的值，再序列化儲存回去。這樣不僅增大了開銷，也不適用於一些可能並發操作的場合（例如兩個並發的操作都需要修改積分）。而Redis的Hash結構可以讓你像在資料庫中Update一個屬性一樣只修改某一項屬性值。如下圖：

2. Key是使用者ID, value是一個Map，這個Map的key是成員的屬性名，value是屬性值，這樣資料的修改和存取都可以直接透過其內部Map的Key(Redis裡稱內部Map的key為field), 也就是透過key(用戶ID) field(屬性標籤) 就可以操作對應屬性數據了，既不需要重複存儲數據，也不會帶來序列化和並發修改控制的問題。

3. 不過這裡需要注意，Redis提供了介面(hgetall)可以直接取到全部的屬性資料,但是如果內部Map的成員很多，那麼涉及到遍歷整個內部Map的操作，由於Redis單執行緒模型的緣故，這個遍歷操作可能會比較耗時，而對其它客戶端的請求完全不響應，這點需要格外注意。

4. 可用來建立索引。例如User對象，除了id有時還要按name來查詢，可以建一個Key為user:name:id的Hash，在插入User對象時(set user:101{"id":101,"name":"calvin "})， 順便往這個hash插入一條(hset user:name:id calvin 101)，這時calvin作為hash裡的一個key，值為101。按name查詢的時候，用hgetuser:name:id calvin 就能從名為calvin的key裡取出id。如果需要使用多種索引來查找某條資料時可以使用，一個hash key搞定，避免使用多個string key存放索引值。

5. HINCRBY同樣可用來實作idmaker。相對string類型的idmaker每一個類型需要一個key，hash類型的用一個key即可。

實作方式：

Redis Hash對應Value內部實際就是一個HashMap，這裡會有2種不同實現，這個Hash的成員比較少時Redis為了節省記憶體會採用類似一維數組的方式來緊湊存儲，而不會採用真正的HashMap結構，對應的value redisObject的encoding為zipmap,當成員數量增大時會自動轉成真正的HashMap,此時encoding為ht。

三、List

簡介：List是雙向鍊錶，支援雙向的Pop/Push，江湖規矩一般從左端Push，右端Pop－LPush/RPop ，而且還有Blocking的版本BLPop/BRPop，客戶端可以阻塞在那直到有訊息到來。還有RPopLPush/ BRPopLPush，彈出來返回給client的同時，把自己又推入另一個list，LLen獲取列表的長度。還有按值進行的操作：LRem(按值刪除元素)、LInsert(插在某個值的元素的前後)，複雜度是O(N)，N是List長度，因為List的值不唯一，所以要遍歷全部元素，而Set只要O(log(N))。

按下標進行的動作：下標從0開始，佇列由左至右算，下標為負數時則由右至左。 LSet ，按下標設定元素值。 LIndex，按下標返回元素。 LRange，不同於POP直接彈走元素，只是傳回清單內一段下標的元素，是分頁的最愛。 LTrim，限制List的大小，例如只保留最新的20則訊息。複雜度也是O(N)，其中LSet的N是List長度，LIndex的N是下標的值，LRange的N是start的值列出元素的個數，因為是鍊錶而不是數組，所以按標訪問其實要遍歷鍊錶，除非下標正好是隊頭和隊尾。 LTrim的N是移除元素的個數。

常用指令：lpush,rpush,lpop,rpop,lrange等。

應用場景：

1. 各種列表，例如twitter的關注列表、粉絲列表等，最新消息排行、每篇文章的評論等也可以用Redis的list結構來實現。

2  訊息佇列，可以利用Lists的PUSH操作，將任務存在Lists中，然後工作執行緒再用POP操作將任務取出執行。這裡的訊息佇列並沒有ack機制，如果消費者把任務給Pop走了又沒處理完就死機了怎麼辦？其中一個解決方法是加多一個sorted set，分發的時候同時發到list與sorted set，以分發時間為score，用戶把任務做完了之後要用ZREM消掉sorted set裡的job，並且定時從sorted set中取出超時沒有完成的任務，重新放回list。另一個做法是為每個worker多加一個的list，彈出任務時改用RPopLPush，將job同時放到worker自己的list中，完成時用LREM消掉。如果叢集管理(如zookeeper)發現worker已經掛掉，就將worker的list內容重新放回主list。

3  利用LRANGE可以很方便的實現list內容分頁的功能。

4. 取最新N個資料的操作：LPUSH用來插入一個內容ID，作為關鍵字儲存在清單頭部。 LTRIM用來限制清單中的項目數最多為5000。如果使用者需要的檢索的資料量超越這個快取容量，這時才需要把請求傳送到資料庫。

實作方式：

Redis list的實作為雙向鍊錶，即可以支援反向查找和遍歷，更方便操作，不過帶來了部分額外的記憶體開銷，Redis內部的很多實現，包括發送緩衝隊列等也都是用的這個資料結構。

四、Set

簡介：是一種無序的集合，集合中的元素沒有先後順序，不重複。將重複的元素放入Set會自動去重。

常用指令：

sadd,spop,smembers,sunion等。

應用場景：

1. 某些需要去重的列表，並且set提供了判斷某個成員是否在一個set集合內的重要接口，這個也是list所不能提供的。

2. 可以儲存一些集合性的數據，例如在微博應用中，可以將一個用戶所有的追蹤人存在一個集合中，將其所有粉絲存在一個集合。 Redis也為集合提供了求交集、並集、差集等操作，可以非常方便的實現如共同關注、共同喜好、二度好友等功能，對上面的所有集合操作，你還可以使用不同的命令選擇將結果傳回給客戶端還是存集到一個新的集合。又例如QQ有一個社交功能叫做“好友標籤”，大家可以給你的好友貼標籤，比如“大美女”、“土豪”、“歐巴”等等，這裡也可以把每個用戶的標籤都存放在一個集合之中。

3. 想要知道某些特定的註冊使用者或IP位址，他們到底有多少造訪了某個頁面，可以這樣實現：SADD page:day1: 。想知道特定使用者的數量，使用SCARD page:day1:。需要測試某個特定使用者是否造訪了這個頁面？ SISMEMBER page:day1:。

實作方式：

set 的內部實作是value永遠是null的HashMap，實際上就是透過計算hash的方式來快速排重的，這也是set能提供判斷一個成員是否在集合內的原因。

五、Sorted Set

簡介：有序集合，相較於set，元素放入集合時還要提供該元素的分數，可依分數自動排序。

常用指令：

zadd,zrange,zrem,zcard等

使用場景：

1. 存放一個有順序的並且不重複的集合列表，例如twitter 的public timeline可以以發表時間作為score來存儲，這樣獲取時就是自動按時間排好序的。

2. 可以做有權重的佇列，例如普通訊息的score為1，重要訊息的score為2，然後工作執行緒可以選擇按score的倒序來取得工作任務。讓重要的任務優先執行。

3. 排行榜相關：ZADD leaderboard 。要得到前100名高分用戶很簡單：ZREVRANGE leaderboard 0 99。使用者的全球排名也相似，只需要執行：ZRANK leaderboard 。

4. 新聞依照用戶投票和時間排序，ZADD時的score = points / time^alpha， 這樣用戶的投票會相應的把新聞挖出來，但時間會按照一定的指數將新聞埋下去。

5. 過期項目處理：使用unix時間作為關鍵字，用來保持清單能夠依時間排序。對current_time和time_to_live進行檢索，完成尋找過期項目的艱鉅任務。另一項後台任務使用ZRANGE...WITHSCORES進行查詢，刪除過期的項目。

實作方式：

Redis sorted set的內部使用HashMap和跳躍表(SkipList)來確保資料的儲存和有序，HashMap裡放的是成員到score的映射，而跳躍表裡存放的是所有的成員，排序依據是HashMap裡存的score,使用跳躍表的結構可以獲得比較高的查找效率，並且在實現上比較簡單。

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