面試中經常問到的Redis七種數據類型，你都真正瞭解嗎？

Redis提供更加豐富的數據結構，如：字元串、列表、集合、有序集合、哈希、點陣圖、HyperLogLogs，你都真正瞭解嘛？ ...

前言

Redis不是一個簡單的鍵值對存儲，它實際上是一個支持各種類型數據結構的存儲。在傳統的鍵值存儲中，是將字元串鍵關聯到字元串值，但是在Redis中，這些值不僅限於簡單的字元串，還可以支持更複雜的數據結構。下麵就是Redis支持的數據結構：

字元串（String）：二進位安全字元串。
列表（List）：根據插入順序排序的字元串元素列表，基於鏈表實現。
集合（Set）：唯一的亂序的字元串元素的集合。
有序集合（Sorted Set）：與集合類似，但是每個字元串元素都與一個稱為score的數字相關聯。元素總是按其score排序，並且可以檢索一定score範圍的元素。
哈希（Hash）：由欄位與值相關聯組成的映射，欄位和值都是字元串。
點陣圖（Bitmap）:像操作位數組一樣操作字元串值，可以設置和清除某個位，對所有為1的位進行計數，找到第一個設置1的位，找到第一個設置0的位等等。
HyperLogLogs：一種概率數據結構，使用較小的記憶體空間來統計唯一元素的數量，誤差小於1％。

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鍵（Key）

鍵是二進位安全的，這意味著您可以使用任何二進位序列作為鍵，可以是OneMoreStudy這樣的字元串，也可以使圖片文件的內容，空字元串也是有效的鍵。不過，還有一些其他規則：

不要使用過長的鍵，比如一個1KB的鍵。不僅是多占記憶體方面的問題，而是在數據集中查找鍵可能需要進行一些耗時的鍵比較。如果真的有比較大的鍵，先對它進行哈希（比如：MD5、SHA1）是一個好主意。
也不要使用過短的鍵，比如：OMS100f，相對於one-more-study:100:fans，後者更具有可讀性。可能會占用更多記憶體，但是相對於值所占的記憶體，鍵所增加的記憶體還是小很多的。我們要找到一個平衡點，不長也不短。
多個欄位以冒號分隔，一個欄位內多個單詞以連詞符或點分隔，比如：one-more-study:100:fans，或者one.more.study:100:fans。
鍵允許的最大值為512MB。

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字元串（String）

字元串類型是和鍵關聯的最簡單的類型。它是Memcached中唯一的數據類型，因此對於新手來說，在Redis中使用它也是很容易的。鍵是字元串類型，當我們也使用字元串類型作為值時，我們會可以從一個字元串映射到另一個字元串。字元串數據類型有很多應用場景，例如緩存HTML片段或頁面。

下麵簡單介紹一下字元串的命令（在redis-cli中使用）：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> get one-more-key
"OneMoreStudy"

使用SET和GET命令來設置和查詢字元串值的方式。需要註意的是，如果當前鍵已經和字元串值相關聯，SET命令將會替換已存儲在鍵中的現有值。字元串可以是任意的二進位數據，比如jpeg圖像。字元串最多不能大於512MB。SET命令還有一些實用的可選參數，比如：

> set one-more-key Java nx   #如果key存在，則設置失敗。
(nil)
> set one-more-key Java xx   #如果key存在，才設置成功。
OK

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雖然字元串是Redis的基本值，但也可以使用它們執行一些實用的操作。比如：

> set one-more-counter 50
OK
> incr one-more-counter   #自增加1
(integer) 51
> incr one-more-counter   #自增加1
(integer) 52
> incrby one-more-counter 5   #自增加5
(integer) 57

INCR命令將字元串值解析為整數，將其自增加1，最後將獲得的值設置為新值。還有其他類似的命令，例如INCRBY，DECR和DECRBY等命令。 INCR命令是原子操作，即時有多個客戶端同時同一個key的INCR命令，也不會進入競態條件。比如，上面的例子先設置one-more-counter的值為50，即使兩個客戶端同時發出INCR命令，那麼最後的值也肯定是52。

可以使用MSET和MGET命令在單個命令中設置或查詢多個鍵的值，對於減少延遲也很有用。比如：

> mset a 1 b 2 c 3
OK
> mget a b c
1) "1"
2) "2"
3) "3"

使用MGET命令時，Redis返回一個值的數組。

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使用DEL命令可以刪除鍵和相關聯的值，存在指定的鍵則返回1，不存在指定的鍵則返回0。使用EXISTS命令判斷Redis中是否存在指定的鍵，存在指定的鍵則返回1，不存在指定的鍵則返回0。比如：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> exists one-more-key
(integer) 1
> del one-more-key
(integer) 1
> exists one-more-key
(integer) 0

使用TYPE命令，可以返回存儲在指定key的值的數據類型，比如：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> type one-more-key
string
> del one-more-key
(integer) 1
> type one-more-key
none

在討論更複雜的數據結構之前，我們需要討論另一個功能，該功能無論值類型是什麼都適用，它就是EXPIRE命令。它可以為鍵設置到期時間，當超過這個到期時間後，該鍵將自動銷毀，就像對這個鍵調用了DEL命令一樣。比如：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> expire one-more-key 5
(integer) 1
> get one-more-key #立刻調用
"OneMoreStudy"
> get one-more-key #5秒鐘後調用
(nil)

上面的例子，適用了EXPIRE命令設置了過期時間，也可以使用PERSIST命令移除鍵的過期時間，這個鍵將持久保持。除了EXPIRE命令，還可以使用SET命令設置過期時間，比如：

> set one-more-key OneMoreStudy ex 10 #設置過期時間為10秒
OK
> ttl one-more-key
(integer) 9

上面的例子，設置了一個字元串值OneMoreStudy的one-more-key，該鍵的到期時間為10秒。之後，調用TTL命令以檢查該鍵的剩餘生存時間。

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到期時間可以使用秒或毫秒精度進行設置，但到期時間的解析度始終為1毫秒。實際上，Redis伺服器上存儲的不是到期時間長度，而是該鍵到期的時間。

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列表（List）

Redis列表是使用鏈表實現的，這就意味著在頭部或尾部增加或刪除一個的元素的時間複雜度是O(1)，非常快的。不過，按索引查詢對應元素的時間複雜度就是O(n)，慢很多。如果想快速查詢大量數據，可以使用有序集合，後面會有介紹。

LPUSH命令將一個新元素添加到列表的左側（頂部），而RPUSH命令將一個新元素添加到列表的右側（底部）。最後，LRANGE命令可以從列表中按範圍提取元素。比如：

> rpush one-more-list A
(integer) 1
> rpush one-more-list B
(integer) 2
> lpush one-more-list first
(integer) 3
> lrange one-more-list 0 -1
1) "first"
2) "A"
3) "B"

LRANGE命令需要另外兩個參數，要返回的第一個元素的索引和最後一個元素的索引。如果索引為負值，Redis將從末尾開始計數，-1是列表的最後一個元素，-2是列表的倒數第二個元素，依此類推。

LPUSH和RPUSH命令支持多個參數，可以使用一次命令添加多個元素，比如：

> rpush one-more-list 1 2 3 4 5 "last"
(integer) 9
> lrange one-more-list 0 -1
1) "first"
2) "A"
3) "B"
4) "1"
5) "2"
6) "3"
7) "4"
8) "5"
9) "last"

在Redis列表上，也可以移除並返回元素。與LPUSH和RPUSH命令，對應的就是LPOP和RPOP命令，LPOP命令是將列表的左側（頂部）的元素移除並返回，RPOP命令是將列表的右側（底部）的元素移除並返回。比如：

> rpush one-more-list a b c
(integer) 3
> rpop one-more-list
"c"
> rpop one-more-list
"b"
> rpop one-more-list
"a"

我們添加了三個元素，並移除並返回了三個元素，此時列表為空，沒有任何元素。如果再使用RPOP命令，會返回一個NULL值：

> rpop one-more-list
(nil)

使用RPUSH和RPOP命令，或者LPUSH和LPOP命令可以實現棧的功能，使用LPUSH和RPOP命令，或者RPUSH和LPOP命令可以實現隊列的功能。也可以實現生產者和消費者模式，比如多個生產者使用LPUSH命令將任務添加到列表中，多個消費者使用RPOP命令將任務從列表中取出。但是，有時列表可能為空，沒有任何要處理的任務，因此RPOP命令僅返回NULL。在這種情況下，消費者被迫等待一段時間，然後使用RPOP命令重試。這就暴露了有幾個缺點：

客戶端和服務端之間可以處理無用的命令，因為在列表為空時的所有請求將無法完成任何實際工作，它們只會返回NULL。
由於消費者在收到NULL之後會等待一段時間，因此會增加任務處理的延遲。為了減小延遲，我們可以在兩次調用RPOP之間等待更少的時間，這就擴大了更多對Redis的無用調用。

有什麼辦法可以解決呢？使用BRPOP和BLPOP的命令，它們和RPOP和LPOP命令類似，唯一的區別是：如果列表為空時，命令會被阻塞，直到有新元素添加到列表中，或指定的超時時間到了時，它們才會返回到調用方。比如：

> brpop tasks 5

它含義是，列表為空時，等待列表中的元素，但如果5秒鐘後沒有新的元素被添加，則返回。您可以將超時時間傳入0，表示永遠等待元素添加。也可以傳入多個列表，這時會按參數先後順序依次檢查各個列表，返回第一個非空列表的尾部元素。另外還有以下3點需要註意的：

當列表為空，並且有多個客戶端在等待時，有一個新的元素被添加到列表中，它會被第一個等待的客戶端獲取到，以此類推。
返回值與RPOP命令相比有所不同，它是一個包含兩個元素的數組，包含key和對應的元素，因為BRPOP和BLPOP命令能夠阻止等待來自多個列表的元素。
超過了超時時間，會返回NULL。

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列表的創建和刪除都是由Redis自動完成的，當嘗試向不存在的鍵添加元素時，Redis會自動創建一個空的列表；當最後一個元素被移除時，Redis會自動刪除這個列表。這不是特定於列表的，它適用於由多個元素組成的所有Redis數據類型，比如集合、有序集合、哈希，它們都有3條規則：

當我們將元素添加到聚合數據類型時，如果目標鍵不存在，則在添加元素之前會創建一個空的聚合數據類型。比如：

> del one-more-list
(integer) 1
> lpush one-more-list 1 2 3
(integer) 3

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但是，在鍵存在時，就不能操作錯誤的數據類型了，比如：

> set one-more-key OneMoreStudy
OK
> lpush one-more-key 1 2 3
(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
> type one-more-key
string

當我們從聚合數據類型中刪除元素時，如果該值保持為空，則key將自動銷毀。比如：

> lpush one-more-list 1 2 3
(integer) 3
> exists one-more-list
(integer) 1
> lpop one-more-list
"3"
> lpop one-more-list
"2"
> lpop one-more-list
"1"
> exists one-more-list
(integer) 0

當對應key不存在，並且調用只讀命令（如LLEN命令，獲取列表長度）或寫命令（如LPOP命令）時，都會返回空聚合數據類型的結果。比如：

> del one-more-list
(integer) 0
> llen one-more-list
(integer) 0
> lpop one-more-list
(nil)

Redis為了追求高性能，列表的內部實現不是一個簡單的鏈表，這裡先賣個關子，後續的文章會詳細介紹。

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集合（Set）

集合是一個字元串的無序集合，SADD命令可以將新元素添加到集合中。還可以對集合進行許多其他操作，例如：判斷給定元素是否已存在、執行多個集合之間的交集、並集或差等等。比如：

> sadd one-more-set 1 2 3
(integer) 3
> smembers one-more-set
1) "1"
2) "3"
3) "2"

在上面的例子中，在集合中添加了三個元素，並讓Redis返回所有元素。正如你所見，返回的元素是沒有排序的。在每次調用時，元素的順序都有可能不一樣。

還可以使用SISMEMBER命令判斷給定元素是否已存在，比如：

> sismember one-more-set 3
(integer) 1
> sismember one-more-set 30
(integer) 0

在上面的例子中，3在集合中，所以返回1；而30不在集合中，所以返回0。

可以使用SINTER命令，計算出多個集合的交集；使用SUNION命令，計算多個集合的並集；使用SPOP命令，移除並返回集合中的一個隨機元素；使用SCARD命令，計算集合中的元素的數量。比如：

> sadd one-more-set1 1 2 3
(integer) 3
> sadd one-more-set2 2 3 4
(integer) 3
> sinter one-more-set1 one-more-set2 #交集
1) "3"
2) "2"
> sunion one-more-set1 one-more-set2 #並集
1) "1"
2) "3"
3) "2"
4) "4"
> spop one-more-set1 #隨機移除一個元素
"3"
> scard one-more-set1 #元素數量
(integer) 2

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有序集合（Sorted Set）

有序集合是一種類似於集合和哈希之間混合的數據類型。像集合一樣，有序集合中由唯一的、非重覆的字元串元素組成，因此從某種意義上說，有序集合也是一個集合。但是集合中的元素是沒有排序的，而有序集合中的每個元素都與一個稱為分數（score）的浮點值相關聯，這就是為什麼有序集合也類似於哈希的原因，因為每個元素都映射到一個值。有序集合的排序規則如下：

如果A和B是兩個具有不同分數的元素，那麼如果A.分數>B.分數，則A>B。
如果A和B的分數完全相同，那麼如果A字元串在字典排序上大於B字元串，則A>B。 A和B字元串不能相等，因為有序集合中的元素都是唯一的。

我們來舉個例子，把王者榮耀戰隊的名字和積分添加到有序集合中，其中把戰隊的名字作為值，把戰隊的積分作為分數。

> zadd kpl 12 "eStarPro"
(integer) 1
> zadd kpl 12 "QGhappy"
(integer) 1
> zadd kpl 10 "XQ"
(integer) 1
> zadd kpl 8 "EDG.M"
(integer) 1
> zadd kpl 8 "RNG.M"
(integer) 1
> zadd kpl 4 "TES"
(integer) 1
> zadd kpl 2 "VG"
(integer) 1

如上所示，ZADD命令和SADD命令相似，但是多了一個額外的參數（在要添加的元素的前面）作為分數。ZADD命令也支持多個參數，雖然在上面的例子中未使用它，但你也可以指定多個分數和值對。使用有序集合，快速地返回按其積分排序的戰隊列表，因為實際上它們已經被排序了。

需要註意的是，為了快速獲取有序集合中的元素，每次添加元素的時間複雜度都為O(log(N))，這是因為有序集合是同時使用跳躍表和字典來實現的，具體原理這裡先賣個關子，後續的文章會詳細介紹。

可以使用ZRANGE命令按照升序獲取對應的值，比如：

> zrange kpl 0 -1
1) "VG"
2) "TES"
3) "EDG.M"
4) "RNG.M"
5) "XQ"
6) "QGhappy"
7) "eStarPro"

0和-1代表查詢從第一個到最後一個的元素。還可以使用ZREVRANGE命令按照降序獲取對應的值，比如：

> zrevrange kpl 0 -1
1) "eStarPro"
2) "QGhappy"
3) "XQ"
4) "RNG.M"
5) "EDG.M"
6) "TES"
7) "VG"

加上WITHSCORES參數，就可以連同分數一起返回，比如：

> zrange kpl 0 -1 withscores
 1) "VG"
 2) "2"
 3) "TES"
 4) "4"
 5) "EDG.M"
 6) "8"
 7) "RNG.M"
 8) "8"
 9) "XQ"
10) "10"
11) "QGhappy"
12) "12"
13) "eStarPro"
14) "12"

有序集合還有更強大的功能，比如在分數範圍內操作，讓我們獲取小於10（含）的戰隊，使用ZRANGEBYSCORE命令：

> zrangebyscore kpl -inf 10
1) "VG"
2) "TES"
3) "EDG.M"
4) "RNG.M"
5) "XQ"

這就是獲取分數從負無窮到10所對應的值，同樣的我們也可以獲取分數從4到10所對應的值：

> zrangebyscore kpl 4 10
1) "TES"
2) "EDG.M"
3) "RNG.M"
4) "XQ"

另外有用的命令：ZRANK命令，它可以返回指定值的升序排名（從0開始）；ZREVRANK命令，它可以返回指定值的降序排名（從0開始），比如：

> zrank kpl "EDG.M"
(integer) 2
> zrevrank kpl "EDG.M"
(integer) 4

有序集合的分數是隨時更新的，只要對已有的有序集合調用ZADD命令，就會以O(log(N))時間複雜度更新其分數和排序。這樣，當有大量更新時，有序集合是合適的。由於這種特性，常見的場景是排行榜，可以方便地顯示排名前N位的用戶和用戶在排行榜中的排名。

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哈希（Hash）

Redis的哈希和人們期望的“哈希”結構是一樣的，它是一個無序哈希，內部存儲了很多鍵值對，比如：

> hmset one-more-fans:100 name Lily age 25
OK
> hget one-more-fans:100 name
"Lily"
> hget one-more-fans:100 age
"25"
> hgetall one-more-fans:100
1) "name"
2) "Lily"
3) "age"
4) "25"

儘管哈希很容易用來表示對象，但是實際上可以放入哈希中的欄位數是沒有實際限制的，因此您可以以更多種的不同方式使用哈希。除了HGET命令獲取單個欄位對應的值，也可以使用HMSET命令獲取多個欄位及對應的值，它返回的是一個數組，比如：

> hmget one-more-fans:100 name age non-existent-field
1) "Lily"
2) "25"
3) (nil)

還可以使用HINCRBY命令，為指定欄位的值做增量，比如：

> hget one-more-fans:100 age
"25"
> hincrby one-more-fans:100 age 3
(integer) 28
> hget one-more-fans:100 age
"28"

Redis哈希的實現結構，和Java中的HashMap是一樣的，也是“數組+鏈表”的結構，當發生數組位置碰撞是，就會將碰撞的元素用鏈表串起來。不過Redis為了追求高性能，rehash的方式不太一樣，這裡先賣個關子，後續的文章會詳細介紹。

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點陣圖（Bitmap）

點陣圖不是實際的數據類型，而是在String類型上定義的一組面向位的操作。由於字元串是二進位安全的，並且最大長度為512MB，因此可以設置多達2^32個不同的位。點陣圖操作分為兩類：固定單個位操作，比如將一個位設置為1或0或獲取其值；對位組的操作，比如計算給定位範圍內設置位的數量。

點陣圖的最大優點之一是，它們在存儲信息時通常可以節省大量空間。例如，在以增量用戶ID位標識表示用戶是否要接收新聞通訊，僅使用512 MB記憶體就可以記住40億用戶的一位信息。

使用SETBIT和GETBIT命令來設置和獲取指定位，比如：

> setbit one-more-key 10 1
(integer) 0
> getbit one-more-key 10
(integer) 1
> getbit one-more-key 11
(integer) 0

SETBIT命令將位號作為其第一個參數，將其設置為1或0的值作為其第二個參數。如果位號超出當前字元串長度，該命令將會自動擴大字元串。GETBIT命令只是返回指定位號的位的值，如果位號超出存儲的字元串長度則會返回0。

對位組的操作有以下3個命令：

BITOP命令可以在不同的字元串之間執行按位運算，提供的位運算有與、或、非和異或。
BITCOUNT命令可以統計指定範圍內位數為1的個數。
BITPOS命令可以查找指定範圍內為0或1的第一位。

> set one-more-key "\x13\x7f" #二進位為0001 0011 0111 1111
OK
> bitcount one-more-key #整個字元串中1的位數
(integer) 10
> bitcount one-more-key 0 0 #第一個字元（0001 0011）中1的位數
(integer) 3
> bitcount one-more-key 1 1 #第二個字元（0111 1111）中1的位數
(integer) 7
> bitpos one-more-key 0 #整個字元串中第一個0位
(integer) 0
> bitpos one-more-key 1 #整個字元串中第一個1位
(integer) 3
> bitpos one-more-key 1 0 0 #第一個字元（0001 0011）中第一個1位
(integer) 3
> bitpos one-more-key 1 1 1 #第二個字元（0111 1111）中第一個1位
(integer) 9

點陣圖可以應用於各類實時分析，也可以節省空間高效地存儲位信息。比如，記錄用戶每天的簽到數據，每一個位表示用戶是否簽到過，這樣就可以計算出某個時間段用戶簽到了幾次，某個時間段用戶第一次簽到是哪一天。

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HyperLogLogs

HyperLogLog是一種概率數據結構，用於統計唯一元素的數量，也可以理解為估計集合中元素的個數。

通常情況下，對唯一元素進行統計數量時，需要使用與要統計的元素數量成比例的記憶體量，因為需要記住過去已經看到的元素，以避免多次對其進行統計。但是，有一組演算法可以以記憶體換取精度，最終會得到帶有標準誤差的估計數量，在Redis的HyperLogLogs中，該誤差小於1％。

這個演算法的神奇之處在於，不再需要使用與所統計元素數量成比例的記憶體量，而可以使用恆定數量的記憶體。在最壞的情況下占據12KB的記憶體空間，Redis對HyperLogLog的存儲進行了優化，在計數比較少時，占據的記憶體空間會更小，這裡先賣個關子，後續的文章會詳細介紹其中原理。

在集合中，可以將每個元素添加到集合中，並使用SCARD命令獲取集合中的元素數量，因為SADD命令不會重新添加現有元素，所以元素都是唯一的。HyperLogLog的操作和集合比較類似，使用PFADD命令將元素添加到HyperLogLog中，類似於集合的SADD命令；使用PFCOUNT命令獲取HyperLogLog中的唯一元素的當前近似值數量，類似於集合的SCARD命令。比如：

> pfadd one-more-hll a b c d e
(integer) 1
> pfcount one-more-hll 
(integer) 5

Redis中的HyperLogLog儘管在技術上是不同的數據結構，但被編碼為字元串，因此可以調用GET命令來序列化HyperLogLog，然後調用SET命令來將其反序列化回伺服器。

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總結

Redis提供更加豐富的數據結構，鍵（Key）和字元串（String），都是二進位安全的字元串；列表（List），根據插入順序排序的字元串元素列表，基於鏈表實現；集合（Set），唯一的亂序的字元串元素的集合；有序集合（Sorted Set），與集合類似，但是每個字元串元素都與一個稱為score的數字相關聯；哈希（Hash），由欄位與值相關聯組成的映射，欄位和值都是字元串；點陣圖（Bitmap），像操作位數組一樣操作字元串值，可以設置和清除某個位，對所有為1的位進行計數，找到第一個設置1的位，找到第一個設置0的位等等；HyperLogLogs，一種概率數據結構，使用較小的記憶體空間來統計唯一元素的數量，誤差小於1％。

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