1 Redis

Redis官網(wǎng)英文版：https://redis.io/

Redis官網(wǎng)中文版：http://redis.cn/

1.1 概述

Redis是以key-value存儲的數(shù)據(jù)結構服務器，所有的key（鍵）是字符串，而value可以包含：

• 字符串類型（string）：最基本的數(shù)據(jù)類型，二進制安全的字符串，最大512M
• 列表類型（list）：按照添加順序保持順序的字符串列表
• 集合類型（set）：無序的字符串集合，不存在重復的元素
• 有序集合類型（sorted set或Zset）：已排序的字符串集合
• 散列類型（hash）：key-value對的一種集合
• 位操作（bitmap）：更細化的一種操作，以bit為單位。
• 基數(shù)統(tǒng)計（hyperloglog）：基于概率的數(shù)據(jù)結構，2.8.9新增
• 地理位置（Geo）：地理位置信息儲存起來， 并對這些信息進行操作 3.2新增
• 流（Stream） 5.0新增

1.2 查看內部編碼

Redis查看內部編碼使用OBJECT ENCODING命令

該命令用來返回數(shù)據(jù)結構的內部編碼

1.3 String字符串

1.3.1 簡介

String是redis中最基本的數(shù)據(jù)類型，一個key對應一個value。

redis的key和string類型value限制均為512MB雖然Key的大小上限為512M,但是一般建議key的大小不要超過1KB，這樣既可以節(jié)約存儲空間，又有利于Redis進行檢索

1.3.2 應用常景

String類型是二進制安全的，意思是 redis 的 string 可以包含任何數(shù)據(jù)。如數(shù)字，字符串，jpg圖片或者序列化的對象。字符串類型實際上可以是字符串（簡單的字符串、復雜的字符串（xml、json）、數(shù)字（整數(shù)、浮點數(shù)）、二進制（圖片、音頻、視頻））

緩存： 經(jīng)典使用場景，把常用信息，字符串，圖片或者視頻等信息放到redis中，redis作為緩存層，mysql做持久化層，降低mysql的讀寫壓力。

1.3.3 String內部編碼

String內部編碼：

• int：8個字節(jié)的長整型（long，2^63-1）
• embstr：小于等于44 個字節(jié)的字符串，embstr格式的 SDS(簡單動態(tài)字符串：Simple Dynamic String)
• raw：SDS大于 44 個字節(jié)的字符串

Redis 為什么要自己寫一個SDS的數(shù)據(jù)類型，主要是為了解決C語言 char[] 的四個問題：

• 字符數(shù)組必須先給目標變量分配足夠的空間，否則可能會溢出
• 查詢字符數(shù)組長度，時間復雜度O(n)
• 長度變化，需要重新分配內存
• 通過從字符串開始到結尾碰到的第一個\0來標記字符串的結束，因此不能保存圖片、音頻、視頻、壓縮文件等二進制(bytes)保存的內容，二進制不安全

Redis SDS的優(yōu)勢：

• 不用擔心內存溢出問題，如果需要會對 SDS 進行擴容
• 因為定義了 len 屬性，查詢數(shù)組長度時間復雜度O(1) 固定長度
• 空間預分配，惰性空間釋放
• 根據(jù)長度 len來判斷是否結束，而不是 \0

為什么要有embstr編碼呢？比raw的優(yōu)勢在哪里？

embstr編碼將創(chuàng)建字符串對象所需的空間分配的次數(shù)從raw編碼的兩次降低為一次。
因為emstr編碼字符串的素有對象保持在一塊連續(xù)的內存里面，所以那個編碼的字符串對象比起raw編碼的字符串對象能更好的利用緩存。并且釋放embstr編碼的字符串對象只需要調用一次內存釋放函數(shù)，而釋放raw編碼對象的字符串對象需要調用兩次內存釋放函數(shù)

1.4 Hash散列

1.4.1 簡介

常用命令：hget,hsetnx,hset,hvals,hgetall,hmset,hmget 等
Redis 中每個 hash 可以存儲 2^32 - 1 鍵值對（40多億）

1.4.2 應用常景

我們簡單舉個實例來描述下 Hash 的應用場景：

比如我們要存儲一個用戶信息對象數(shù)據(jù)，包含以下信息：用戶 ID 為查找的 key，存儲的 value 用戶對象包含姓名，年齡，生日等信息，如果用普通的 key/value 結構來存儲，主要有以下2種存儲方式：

• 第一種方式將用戶 ID 作為查找 key，把其他信息封裝成一個對象以序列化的方式存儲，這種方式的缺點是，增加了序列化/反序列化的開銷，并且在需要修改其中一項信息時，需要把整個對象取回，并且修改操作需要對并發(fā)進行保護，引入CAS等復雜問題。
• 第二種方法是這個用戶信息對象有多少成員就存成多少個 key-value 對兒，用用戶 ID +對應屬性的名稱作為唯一標識來取得對應屬性的值，雖然省去了序列化開銷和并發(fā)問題，但是用戶 ID 為重復存儲，如果存在大量這樣的數(shù)據(jù)，內存浪費還是非?？捎^的。

那么 Redis 提供的 Hash 很好的解決了這個問題，Redis 的 Hash 實際是內部存儲的 Value 為一個 HashMap，并提供了直接存取這個 Map 成員的接口

也就是說，Key 仍然是用戶 ID，value 是一個 Map，這個 Map 的 key 是成員的屬性名，value 是屬性值，這樣對數(shù)據(jù)的修改和存取都可以直接通過其內部 Map 的 Key（Redis 里稱內部 Map 的 key 為 field），也就是通過 key（用戶 ID） + field（屬性標簽）就可以操作對應屬性數(shù)據(jù)了，既不需要重復存儲數(shù)據(jù)，也不會帶來序列化和并發(fā)修改控制的問題。

很好的解決了問題。這里同時需要注意，Redis 提供了接口（hgetall）可以直接取到全部的屬性數(shù)據(jù)，但是如果內部 Map 的成員很多，那么涉及到遍歷整個內部 Map 的操作，由于 Redis 單線程模型的緣故，這個遍歷操作可能會比較耗時，而另其它客戶端的請求完全不響應，這點需要格外注意。

1.4.3 Hash內部編碼

內部編碼：

• ziplist（壓縮列表）：當哈希類型中元素個數(shù)小于 hash-max-ziplist-entries配置（默認 512 個），同時所有值都小于 hash-max-ziplist-value 配置（默認 64 字節(jié)）時，Redis 會使用 ziplist 作為哈希的內部實現(xiàn)。
• hashtable（哈希表）：當上述條件不滿足時，Redis 則會采用 hashtable 作為哈希的內部實現(xiàn)。

在 Redis 7.0 中，壓縮列表數(shù)據(jù)結構已經(jīng)廢棄了，交由 listpack 數(shù)據(jù)結構來實現(xiàn)了

1.4.4 rehash和漸進式rehash操作

擴容和縮容都會通過rehash來實現(xiàn)，所謂漸進式rehash是指我們的大字典的擴容是比較消耗時間的，需要重新申請新的數(shù)組，然后將舊字典所有鏈表的元素重新掛接到新的數(shù)組下面，是一個O(n)的操作。但是因為我們的redis是單線程的，無法承受這樣的耗時過程，所以采用了漸進式rehash小步搬遷，雖然慢一點，但是可以搬遷完畢

redis會在內部擴容時新建一個長度為原始長度2倍的空哈希表，然后原哈希表上的元素重新rehash到新的哈希表中去，然后我們再使用新的哈希表即可。
那么，這樣還是有個問題要解決呀

要知道redis中存儲的數(shù)據(jù)可能是成百萬上千萬的，我們重新rehash一次未免太耗時了吧，因為redis中操作大部分是單線程的。
這個過程可能會阻斷其他操作很長時間，這是不能忍受的，那要怎么處理呢

1.4.4.1 過程

首先redis是采用了漸進式rehash的操作，就是會有一個變量，指向第一個哈希桶，然后redis每執(zhí)行一個添加key，刪除key的類似命令，就順便copy一個哈希桶中的數(shù)據(jù)到新的哈希表中去，這樣細水長流的操作，是不會影響什么性能，就會所有的數(shù)據(jù)都被重新hash到新的哈希表中。

那么在這個過程中，當然再有寫的操作，會直接把數(shù)據(jù)放到新的哈希表中，保證舊的肯定有copy完的時候，如果這段時間對數(shù)據(jù)庫的操作比較少，也沒有關系，redis內部也有定時任務，每隔一段時間也會copy一次

redis通過鏈式哈希解決沖突，也就是同一個桶里面的元素使用鏈表保存。但是當鏈表過長就會導致查找性能變差可能。所以redis為了追求塊，使用了兩個全局哈希表。用于rehash操作，增加現(xiàn)有的哈希桶數(shù)量，減少哈希沖突
開始默認使用hash表1保存鍵值對數(shù)據(jù)，hash表2此刻沒有分配空間。當數(shù)據(jù)越來越多的觸發(fā)rehash操作，則執(zhí)行以下操作：

• 給hash表2分配更大的空間
• 將hash表1的數(shù)據(jù)重新映射拷貝到hash表2中
  將hash表1的數(shù)據(jù)重新映射到hash表2的過程并不是一次性的，這樣會造成redis阻塞，無法提供服務
• 釋放hash表1的空間

詳細步驟：

• 為ht[1]分配空間，讓字典同時持有ht[0]和ht[1]兩個hash表
• 在字典中維持一個索引計數(shù)器變量rehashidx，并將它的值設置為0，表示rehash工作正式開始
• 在rehash進行期間，每次對字典執(zhí)行添加，刪除，查找或者更新操作時，程序除了執(zhí)行特定的操作以外，還會順帶將ht[0]哈希表在rehashidx索引上的所有鍵值對rehash到ht[1]，當rehash工作完成之后，程序將rehashidx屬性的值增1
• 隨著字典操作的不斷執(zhí)行，最終在某個時間點上，ht[0]的所有鍵值對都會被rehash至ht[1]，這時程序將rehashidx屬性的值設為-1，表示rehash操作已完成
• 將ht[0]釋放，然后將ht[1]設置成ht[0]，最后為ht[1]分配一個空白哈希表

1.4.4.2 rehash觸發(fā)條件

rehash觸發(fā)條件：

• 擴容
  我們的擴容一般會在Hash表中的元素個數(shù)等于第一維數(shù)組的長度的時候，就會開始擴容。擴容的大小是原數(shù)組的兩倍。不過在redis在做bgsave（RDB持久化操作的過程）時，為了減少內存頁的過多分離（Copy On Write），redis不會去擴容。
  但是如果hash表的元素個數(shù)已經(jīng)到達了第一維數(shù)組長度的5倍的時候，就會強制擴容，不管你是否在持久化。
• 縮容
  當我們的hash表元素逐漸刪除的越來越少的時候。redis就會對hash表進行縮容來減少第一維數(shù)組長度的空間占用。縮容的條件是元素個數(shù)低于數(shù)組長度的10%，并且縮容不考慮是否在做redis持久化。
  不用考慮bgsave主要原因是因為我們的縮容的內存都是已經(jīng)使用過的，縮容的時候可以直接置空，而且由于申請的內存比較小，同時會釋放掉一些已經(jīng)使用的內存，不會增大系統(tǒng)的壓力。

1.4.5 跟JDK的HashMap的區(qū)別

數(shù)據(jù)結構上，采用了兩個數(shù)組保存數(shù)據(jù)，發(fā)生hash沖突時，只采用了鏈地址法解決hash沖突，并沒有跟jdk1.8一樣當鏈表超過8時優(yōu)化成紅黑樹，因此插入元素時跟jdk1.7的hashmap一樣采用的是頭插法。

在發(fā)生擴容時，跟jdk的hashmap一次性、集中式進行擴容不一樣，采取的是漸進式的rehash，每次操作只會操作當前的元素，在當前數(shù)組中移除或者存放到新的數(shù)組中，直到老數(shù)組的元素徹底變成空表。

當負載因子小于0.1時，會自動進行縮容。jdk的hashmap出于性能考慮，不提供縮容的操作。
redis使用MurmurHash來計算哈希表的鍵的hash值，而jdk的hashmap使用key.hashcode()的高十六位跟低十六位做與運算獲得鍵的hash值。

1.5 List列表

1.5.1 簡介

Redis中的List其實就是鏈表（Redis用雙端鏈表實現(xiàn)List）

使用List結構，我們可以輕松地實現(xiàn)最新消息排隊功能（比如新浪微博的TimeLine）。List的另一個應用就是消息隊列，可以利用List的 PUSH 操作，將任務存放在List中，然后工作線程再用 POP 操作將任務取出進行執(zhí)行。

列表（List）用來存儲多個有序的字符串，每個字符串稱為元素；一個列表可以存儲2^32-1個元素。Redis中的列表支持兩端插入和彈出，并可以獲得指定位置（或范圍）的元素，可以充當數(shù)組、隊列、棧等

1.5.2 命令和應用

常用命令：lpush,rpush,lpop,rpop,lrange等。

應用場景

比如 twitter 的關注列表，粉絲列表等都可以用 Redis 的 list 結構來實現(xiàn)，可以利用lrange命令，做基于Redis的分頁功能，性能極佳，用戶體驗好
消息隊列：Redis 的 list 是有序的列表結構，可以實現(xiàn)阻塞隊列，使用左進右出的方式。Lpush 用來生產 從左側插入數(shù)據(jù)，Brpop 用來消費，用來從右側 阻塞的消費數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的分頁展示： lrange 命令需要兩個索引來獲取數(shù)據(jù)，這個就可以用來實現(xiàn)分頁，可以在代碼中計算兩個索引值，然后來 redis 中取數(shù)據(jù)。
可以用來實現(xiàn)粉絲列表以及最新消息排行等功能

使用列表的技巧：

• lpush+lpop=Stack(棧)
• lpush+rpop=Queue（隊列）
• lpush+ltrim=Capped Collection（有限集合）
• lpush+brpop=Message Queue（消息隊列）

1.5.3 List內部編碼

內部編碼：

• ziplist（壓縮列表）：當列表中元素個數(shù)小于 512（默認）個，并且列表中每個元素的值都小于 64（默認）個字節(jié)時，Redis 會選擇用 ziplist 來作為列表的內部實現(xiàn)以減少內存的使用。當然上述默認值也可以通過相關參數(shù)修改：list-max-ziplist-entried（元素個數(shù)）、list-max-ziplist-value(元素值)。
• linkedlist（鏈表）：當列表類型無法滿足 ziplist 條件時，Redis 會選擇用 linkedlist 作為列表的內部實現(xiàn)。
  因為雙向鏈表占用的內存比壓縮列表要多， 所以當創(chuàng)建新的列表鍵時， 列表會優(yōu)先考慮使用壓縮列表， 并且在有需要的時候， 才從壓縮列表實現(xiàn)轉換到雙向鏈表實現(xiàn)
• quicklist（快速列表）就是linkedlist和ziplist的結合。quicklist中的每個節(jié)點ziplist都能夠存儲多個數(shù)據(jù)元素。Redis3.2開始，列表采quicklist進編碼

1.6 Set集合

1.6.1 簡介

Redis 的 Set 是 String 類型的無序集合。集合成員是唯一的，這就意味著集合中不能出現(xiàn)重復的數(shù)據(jù)。
Redis 中集合是通過哈希表實現(xiàn)的，所以添加，刪除，查找的復雜度都是 O(1)集合中最大的成員數(shù)為 2^32 - 1 (每個集合可存儲40多億個成員)

1.6.2 命令和應用

常用命令：sadd,spop,smembers,sunion,scard,sscan,sismember等。

應用場景：

Redis set 對外提供的功能與 list 類似是一個列表的功能，特殊之處在于 set 是可以自動去重的，當你需要存儲一個列表數(shù)據(jù)，又不希望出現(xiàn)重復數(shù)據(jù)時，set 是一個很好的選擇，并且 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。

標簽（tag）：集合類型比較典型的使用場景，如一個用戶對娛樂、體育比較感興趣，另一個可能對新聞感興趣，這些興趣就是標簽，有了這些數(shù)據(jù)就可以得到同一標簽的人，以及用戶的共同愛好的標簽，這些數(shù)據(jù)對于用戶體驗以及曾強用戶粘度比較重要。

點贊，或點踩，收藏等，可以放到set中實現(xiàn)

1.6.3 Set內部編碼

Set內部編碼：

• intset(整數(shù)集合)：當集合中的元素都是整數(shù)，并且集合中的元素個數(shù)小于set-max-intset-entries 參數(shù)時，默認512，Redis 會選用 intset 作為底層內部實現(xiàn)。
• hashtable(哈希表)：當上述條件不滿足時，Redis 會采用 hashtable 作為底層實現(xiàn)。

1.7 ZSet有序集合

1.7.1 簡介

Redis 有序集合和集合一樣也是 string 類型元素的集合,且不允許重復的成員。不同的是每個元素都會關聯(lián)一個 double 類型的分數(shù)。redis 正是通過分數(shù)來為集合中的成員進行從小到大的排序。

有序集合的成員是唯一的，但分數(shù)(score)卻可以重復。集合是通過哈希表實現(xiàn)的，所以添加，刪除，查找的復雜度都是 O(1)。
集合中最大的成員數(shù)為 2^32 - 1 (每個集合可存儲40多億個成員)

1.7.2 命令和應用

常用命令：zadd,zrange,zrem,zcard,zscore,zcount,zlexcount等

應用常景：

• 排行榜：有序集合經(jīng)典使用場景
  例如小說視頻等網(wǎng)站需要對用戶上傳的小說視頻做排行榜，榜單可以按照用戶關注數(shù)，更新時間，字數(shù)等打分，做排行，
  如新聞網(wǎng)站對熱點新聞排序，比如根據(jù)點擊量、點贊量等。
• 帶權重的消息隊列：重要的消息 score 大一些，普通消息 score 小一些，可以實現(xiàn)優(yōu)先級高的任務先執(zhí)行

1.7.3 ZSet內部編碼

內部編碼：

• ziplist(壓縮列表)：當有序集合的元素個數(shù)小于 128 個(默認設置)，同時每個元素的值都小于 64 字節(jié)(默認設置)，Redis 會采用 ziplist 作為有序集合的內部實現(xiàn)。也可以通過以下參數(shù)設置：zset-max-ziplist-entries 和 zset-max-ziplist-value
• skiplist(跳躍表)：當上述條件不滿足時，Redis 會采用 skiplist 作為內部編碼。

在 Redis 7.0 中，壓縮列表數(shù)據(jù)結構已經(jīng)廢棄了，交由 listpack 數(shù)據(jù)結構來實現(xiàn)了

1.7.4 跳表數(shù)據(jù)結構

鏈表在查找元素的時候，因為需要逐一查找，所以查詢效率非常低，時間復雜度是O(N)，于是就出現(xiàn)了跳表。跳表是在鏈表基礎上改進過來的，實現(xiàn)了一種 多層 的有序鏈表，這樣的好處是能快讀定位數(shù)據(jù)。

那跳表長什么樣呢？這里舉個例子，下圖展示了一個層級為 3 的跳表。

圖中頭節(jié)點有 L0~L2 三個頭指針，分別指向了不同層級的節(jié)點，然后每個層級的節(jié)點都通過指針連接起來：

• L0 層級共有 5 個節(jié)點，分別是節(jié)點1、2、3、4、5；
• L1 層級共有 3 個節(jié)點，分別是節(jié)點 2、3、5；
• L2 層級只有 1 個節(jié)點，也就是節(jié)點 3 。

如果我們要在鏈表中查找節(jié)點 4 這個元素，只能從頭開始遍歷鏈表，需要查找 4 次，而使用了跳表后，只需要查找 2 次就能定位到節(jié)點 4，因為可以在頭節(jié)點直接從 L2 層級跳到節(jié)點 3，然后再往前遍歷找到節(jié)點 4。
可以看到，這個查找過程就是在多個層級上跳來跳去，最后定位到元素。當數(shù)據(jù)量很大時，跳表的查找復雜度就是 O(logN)。

跳表是怎么設置層高的？

跳表在創(chuàng)建節(jié)點時候，會生成范圍為 [0-1] 的一個隨機數(shù)，如果這個隨機數(shù)小于 0.25（相當于概率 25%），那么層數(shù)就增加 1 層，然后繼續(xù)生成下一個隨機數(shù)，直到隨機數(shù)的結果大于 0.25 結束，最終確定該節(jié)點的層數(shù)。

1.8 Bitmap位圖和布隆過濾器

點擊了解java中Bitmap和布隆過濾器

1.8.1 Bitmap位圖

1.8.1.1 簡介

Bitmap(也稱為位數(shù)組或者位向量等)是一種實現(xiàn)對位的操作的’數(shù)據(jù)結構’，在數(shù)據(jù)結構加引號主要因為：Bitmap本身不是一種數(shù)據(jù)結構，底層實際上是字符串，可以借助字符串進行位操作。

Bitmap 單獨提供了一套命令，所以與使用字符串的方法不太相同?？梢园?Bitmaps 想象成一個以位為單位的數(shù)組，數(shù)組的每個單元只能存儲 0 和 1，數(shù)組的下標在 Bitmap 中叫做偏移量 offset。
bitmap的出現(xiàn)是為了大數(shù)據(jù)量而來的，但是前提是統(tǒng)計的這個大數(shù)據(jù)量每個的狀態(tài)只能有兩種，因為每一個bit位只能表示兩種狀態(tài)。

優(yōu)點：

• 極高空間效率：bitmap 是真的節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間。粗略的算一下，一億位的 Bitmap 大概才占 12MB 的內存，相比其他數(shù)據(jù)結構，能極大地節(jié)省存儲空間；
• 快速查詢：位操作通常比其他數(shù)據(jù)結構查詢速度更快。無論是設置位值還是獲取位值，時間復雜度都為 O (1)，能夠快速響應查詢請求；
• 易于操作：支持單個位操作、位統(tǒng)計、位邏輯運算等，運算效率高，不需要進行比較和移位；

缺點：

• 由于數(shù)據(jù)結構特點，導致它僅適用于表示兩種狀態(tài)，即 0 和 1。對于需要表示更多狀態(tài)的情況，Bitmap 就不適用了；
• 只有當數(shù)據(jù)比較密集時才有優(yōu)勢，如果只設置（20，30，888888888）三個偏移量的位值，則需要創(chuàng)建一個 99999999 長度的 BitMap ，但是實際上只存了3個數(shù)據(jù)，這時候就有很大的空間浪費，碰到這種問題的話，可以通過引入另一個 Roaring BitMap 來解決；

1.8.1.2 應用常景

假如我們現(xiàn)在有幾億個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)狀態(tài)都是1或者0兩個狀態(tài)，比如用戶簽到次數(shù)、或者登錄次數(shù)等。

• 場景一：用戶簽到
  很多網(wǎng)站都提供了簽到功能(這里不考慮數(shù)據(jù)落地事宜)，并且需要展示最近一個月的簽到情況
  Redis 為我們提供了bitmap（位圖）這一數(shù)據(jù)結構，每個用戶每天的登錄記錄只占據(jù)一位，365天就是365位，僅僅需要46字節(jié)就可存儲，極大地節(jié)約了存儲空間。
• 場景二：統(tǒng)計活躍用戶
  使用時間作為cacheKey，然后用戶ID為offset，如果當日活躍過就設置為1
  那么我該如果計算某幾天/月/年的活躍用戶呢(暫且約定，統(tǒng)計時間內只有有一天在線就稱為活躍)，有請下一個redis的命令
• 場景三：用戶在線狀態(tài)
  前段時間開發(fā)一個項目，對方給我提供了一個查詢當前用戶是否在線的接口。不了解對方是怎么做的，自己考慮了一下，使用bitmap是一個節(jié)約空間效率又高的一種方法，只需要一個key，然后用戶ID為offset，如果在線就設置為1，不在線就設置為0，和上面的場景一樣，5000W用戶只需要6MB的空間

1.8.1.3 底層原理

我們知道 Bitmap 本身不是一種數(shù)據(jù)結構，底層實際上使用字符串來存儲。只不過操作的粒度變成了位，即bit。
由于 Redis 中字符串的最大長度是 512 MB字節(jié)，所以 BitMap 的偏移量 offset 值也是有上限的，其最大值是：8 * 1024 * 1024 * 512 = 2^32。由于 C 語言中字符串的末尾都要存儲一位分隔符，所以實際上 BitMap 的偏移量 offset 值上限是：2^32-1

Bitmap 本身是用 String 類型作為底層數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)的一種統(tǒng)計二值狀態(tài)的數(shù)據(jù)類型。String 類型是會保存為二進制的字節(jié)數(shù)組，所以，Redis 就把字節(jié)數(shù)組的每個 bit 位利用起來，用來表示一個元素的二值狀態(tài)。可以把 Bitmap 看作是一個 bit 數(shù)組。

1.8.1.4 命令

• SETBIT
  SETBIE用來設置或清除存儲在鍵處的字符串值的偏移位，其返回值是原來位上存儲的值。key 在初始狀態(tài)下所有的位都為 0
  基本格式：SETBIT key offset value
• GETBIT
  GETBIT 用來獲取存儲在鍵處的字符串值中偏移位置的位值。
  基本格式：GETBIT key offset
• BITCOUNT
  BITCOUNT 用來統(tǒng)計指定區(qū)間內，值為1的個數(shù)。選擇特定的 byte 范圍計數(shù)，具體如下
  基本格式：BITCOUNT key [start end]（注意start和end指的是字節(jié)，不是位）
  • start：設置位索引起始位置（包含該位置計數(shù)），第一個位置以 0 開始，start 參數(shù)需和 end 參數(shù)同時設置才合法
  • end：設置位索引結束位置（包含該位置計數(shù)），end 參數(shù)需和 start參數(shù)同時設置才合法
• BITOP
  對一個或多個保存二進制位的字符串 key 進行位元操作，并將結果保存到 destkey 上
  語法格式：BITOP operation destkey key [key ...]語法：operation 可以是 AND（與） 、 OR （或）、 NOT（非） 、 XOR（異或）除了 NOT 操作之外，其他操作都可以接受一個或多個 key 作為輸入
• BITPOS
  用來計算指定 key 對應字符串中，第一位為 1 或者 0 的 offset 位置。除此之外，BITPOS 也有兩個選項 start 和 end，跟 BITCOUNT 一樣。
  語法格式：BITPOS key bit [ start [ end [ BYTE | BIT]]]BYTE、BIT 這兩個選項從 7.0.0 版本開始才能使用。

1.8.2 布隆過濾器

1.8.2.1 簡介

上邊提到 bitmap 記錄字符元素的狀態(tài)時，需要先借助哈希運算得出偏移量。但引入哈希運算后可能會出現(xiàn)哈希碰撞的情況，導致狀態(tài)誤判。

布隆過濾器對這個問題做了進一步的優(yōu)化，做到了可控誤判率，當我們將一個郵箱地址添加到集合中，多個不同的哈希函數(shù)會將這個郵箱地址映射到 bitmap 中的不同偏移量位置上，且將這些位值置為 1。

要判斷郵箱地址是否在集合中，通過相同的哈希函數(shù)映射到 bitmap 上的多個位置，如果這些位上的值都為 1，則郵箱可能存在集合中；如果有任何一個位置的值為 0，則元素一定不在集合中。這是布隆過濾器的特點。

雖然但是布隆過濾器還是會發(fā)生誤判的情況，但好在我們可以通過調整布隆過濾器的大小和哈希函數(shù)的數(shù)量來控制誤判率。

注意：需要Redis服務器版本是4.0或以上，因為Redis 4.0引入了插件機制，支持布隆過濾器等模塊的加載
配置的話是，打開Redis的配置文件redis.conf，這個文件通常位于Redis的安裝目錄下。在配置文件中，添加以下行來加載布隆過濾器模塊：loadmodule /path/to/redisbloom.so

1.8.2.2 操作命令

布隆過濾器的命令也不多，主要用到的如下幾個：

BF.RESERVE：創(chuàng)建一個新的布隆過濾器，并指定容量 capacity 和誤判率 error_rate。

BF.RESERVE <key> <error_rate> <capacity>
BF.RESERVE myfilter 0.000001 999999

BF.INFO：獲取布隆過濾器的信息，包括容量、誤判率等。BF.INFO <key>BF.ADD 和 BF.MADD：分別是向布隆過濾器中添加元素和批量添加

# 向布隆過濾器中添加元素
BF.ADD myfilter hello
BF.MADD <key> <item> [item ...]

BF.EXISTS 和 BF.MEXISTS：分別是檢查布隆過濾器中某個元素和批量檢查元素是否存在

# 元素是否存在于布隆過濾器中
BF.EXISTS myfilter hello
# 元素是否存在于布隆過濾器中
BF.MEXISTS <key> <item> [item ...]

1.8.2.3 優(yōu)缺點

• 優(yōu)點：
  • 布隆過濾器的空間占用也是極小，它本身不存儲完整的數(shù)據(jù)，和 bitmap 一樣底層也是通過 bit 位來表示數(shù)據(jù)是否存在。
  • 性能比較穩(wěn)定，無論集合中元素的數(shù)量有多少，插入和查詢操作的時間復雜度都非常低，通常為 O (k)，其中 k 是哈希函數(shù)的個數(shù)。也就是說在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時，布隆過濾器的性能不會隨著數(shù)據(jù)量的增加而急劇下降。
• 缺點：
  • 存在一定的誤識別率：布隆過濾器存在誤判的情況，即當一個元素實際上不在集合中時，有可能被判斷為在集合中。這是因為多個元素可能通過哈希函數(shù)映射到相同的位置，導致誤判。但是，當布隆過濾器判斷一個元素不在集合中時，則是 100% 正確的。
  • 刪除元素比較困難：一般情況下，不能直接從布隆過濾器中刪除元素。這是因為一個位置可能被多個元素映射到，如果直接將該位置的值置為 0，可能會影響其他元素的判斷。

1.8.2.4 應用場景

布隆過濾器存在一定的誤判，所以使用它的場景就一定要允許不準確的情況發(fā)生：

• 解決 Redis 緩存穿透問題：秒殺商品詳情通常會被緩存到 Redis 中。如果有大量惡意請求查詢不存在的商品，通過布隆過濾器可以快速判斷這些商品不存在，從而避免了對數(shù)據(jù)庫的查詢，減輕了數(shù)據(jù)庫的壓力。
• 郵箱黑名單過濾：在郵件系統(tǒng)中，可以使用布隆過濾器來過濾垃圾郵件和惡意郵件。將已知的垃圾郵件發(fā)送者的地址或特征存儲在布隆過濾器中，新郵件來時判斷發(fā)送者是否在黑名單中。
• 對爬蟲網(wǎng)址進行過濾：在爬蟲程序中，為了避免重復抓取相同的網(wǎng)址，可以使用布隆過濾器來記錄已經(jīng)抓取過的網(wǎng)址。新網(wǎng)址出現(xiàn)時，先判斷是否已抓取過。

1.9 HyperLogLog基數(shù)統(tǒng)計

1.9.1 簡介

Redis 2.8.9 版本更新了 Hyperloglog 數(shù)據(jù)結構，Redis HyperLogLog 是用來做基數(shù)統(tǒng)計的算法，所謂基數(shù)，也就是不重復的元素

• 優(yōu)點：
  在輸入元素的數(shù)量或者體積非常大時，計算基數(shù)所需的空間總是固定的、并且是很小的。在 Redis 里面，每個 HyperLogLog 鍵只需要花費 12 KB 內存，就可以計算接近 2^64 個不同元素的基數(shù)。
• 缺點：
  因為 HyperLogLog 只會根據(jù)輸入元素來計算基數(shù)，而不會儲存輸入元素本身，所以 HyperLogLog 不能像集合那樣，返回輸入的各個元素。
  估算的值，可能存在誤差，帶有 0.81% 標準錯誤的近似值

1.9.2 命令和場景

這個數(shù)據(jù)結構的命令有三個：

• PFADD：添加指定元素到 HyperLogLog
• PFCOUNT：返回給定 HyperLogLog 的基數(shù)估算值
• PFMERGE：將多個 HyperLogLog 合并為一個 HyperLogLog

應用場景：

• 網(wǎng)頁統(tǒng)計UV （瀏覽用戶數(shù)量，同一天同一個ip多次訪問算一次訪問，目的是計數(shù)，而不是保存用戶）
  傳統(tǒng)的方式是使用set保存用戶的id，可以統(tǒng)計set中元素數(shù)量作為標準判斷。
  但如果這種方式保存大量用戶id，會占用大量內存，我們的目的是為了計數(shù)，而不是去保存id。
• 注冊 IP 數(shù)、每日訪問 IP 數(shù)、頁面實時UV）、在線用戶數(shù)等

1.9.3 內部編碼和原理

HyperLogLog算法時一種非常巧妙的近似統(tǒng)計大量去重元素數(shù)量的算法，它內部維護了16384個桶來記錄各自桶的元素數(shù)量，當一個元素過來，它會散列到其中一個桶。當元素到來時，通過 hash 算法將這個元素分派到其中的一個小集合存儲，同樣的元素總是會散列到同樣的小集合。這樣總的計數(shù)就是所有小集合大小的總和。使用這種方式精確計數(shù)除了可以增加元素外，還可以減少元素

一個HyperLogLog實際占用的空間大約是 12k 字節(jié)。但是在計數(shù)比較小的時候，大多數(shù)桶的計數(shù)值都是零。如果 12k 字節(jié)里面太多的字節(jié)都是零，那么這個空間是可以適當節(jié)約一下的。
Redis 在計數(shù)值比較小的情況下采用了稀疏存儲，稀疏存儲的空間占用遠遠小于 12k 字節(jié)。相對于稀疏存儲的就是密集存儲，密集存儲會恒定占用 12k 字節(jié)。

內部編碼
HyperLogLog 整體的內部結構就是 HLL 對象頭 加上 16384 個桶的計數(shù)值位圖。它在 Redis 的內部結構表現(xiàn)就是一個字符串位圖。你可以把 HyperLogLog 對象當成普通的字符串來進行處理。

1.10 GEO地理位置

1.10.1 簡介

Redis 的 Geo 在 Redis 3.2 版本就推出了，這個功能可以推算地理位置的信息: 兩地之間的距離, 方圓幾里的人，GEO使用的是國際通用坐標系WGS-84

1.10.2 命令和場景

命令：

help @geo 查看geo分組下所有的命令
help geoadd 用于查看單個具體命令

主要操作方法有：

• geoadd：添加地理位置的坐標
  geoadd 語法格式：GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member ...]
• geopos：用于從給定的 key 里返回所有指定名稱(member)的位置（經(jīng)度和緯度），不存在的返回 nilgeopos 語法格式：GEOPOS key member [member ...]
• geodist：用于返回兩個給定位置之間的距離
  geodist 語法格式：GEODIST key member1 member2 [m|km|ft|mi]member1 member2 為兩個地理位置
  最后一個距離單位參數(shù)說明：m ：米，默認單位；km ：千米；mi ：英里；ft ：英尺
• georadius：以給定的經(jīng)緯度為中心， 返回鍵包含的位置元素當中， 與中心的距離不超過給定最大距離的所有位置元素
  語法格式：GEORADIUS key longitude latitude radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]參數(shù)說明：
  • m ：米，默認單位。
  • km ：千米。
  • mi ：英里。
  • ft ：英尺。
  • WITHDIST: 在返回位置元素的同時， 將位置元素與中心之間的距離也一并返回。
  • WITHCOORD: 將位置元素的經(jīng)度和緯度也一并返回。
  • WITHHASH: 以 52 位有符號整數(shù)的形式， 返回位置元素經(jīng)過原始 geohash 編碼的有序集合分值。 這個選項主要用于底層應用或者調試， 實際中的作用并不大。
  • COUNT: 限定返回的記錄數(shù)
  • ASC: 查找結果根據(jù)距離從近到遠排序。
  • DESC: 查找結果根據(jù)從遠到近排序。
• georadiusbymember： 和 GEORADIUS 命令一樣， 都可以找出位于指定范圍內的元素， 但是 georadiusbymember 的中心點是由給定的位置元素決定的， 而不是使用經(jīng)度和緯度來決定中心點
  語法格式：GEORADIUSBYMEMBER key member radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]參數(shù)說明同GEORADIUS
• geohash：返回一個或多個位置對象的 geohash 值。
  Redis GEO 使用 geohash 來保存地理位置的坐標。geohash 用于獲取一個或多個位置元素的 geohash 值。
  geohash 語法格式如下：GEOHASH key member [member ...]

應用場景：
用于存儲地理信息以及對地理信息作操作的場景

• 查看附近的人
• 微信位置共享
• 地圖上直線距離的展示
• 比如檢索附近的主播

1.10.3 內部編碼

需要說明的是，Geo本身不是一種數(shù)據(jù)結構，它本質上還是借助于Sorted Set（ZSET），并且使用GeoHash技術進行填充。Redis中將經(jīng)緯度使用52位的整數(shù)進行編碼，放進zset中，score就是GeoHash的52位整數(shù)值。在使用Redis進行Geo查詢時，其內部對應的操作其實就是zset(skiplist)的操作。
通過zset的score進行排序就可以得到坐標附近的其它元素，通過將score還原成坐標值就可以得到元素的原始坐標。

總之，Redis中處理這些地理位置坐標點的思想是：二維平面坐標點 --> 一維整數(shù)編碼值 --> zset(score為編碼值) --> zrangebyrank(獲取score相近的元素)、zrangebyscore --> 通過score(整數(shù)編碼值)反解坐標點 --> 附近點的地理位置坐標

1.11 Stream流

1.11.1 簡介

Redis Stream 是 Redis 5.0 版本新增加的數(shù)據(jù)結構。
Redis Stream 主要用于消息隊列（MQ，Message Queue），Redis 本身是有一個 Redis 發(fā)布訂閱 (pub/sub) 來實現(xiàn)消息隊列的功能，但它有個缺點就是消息無法持久化，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡斷開、Redis 宕機等，消息就會被丟棄。

點擊此處了解為什么Redis不適合用作MQ簡單來說發(fā)布訂閱 (pub/sub) 可以分發(fā)消息，但無法記錄歷史消息。

Redis Stream 提供了消息的持久化和主備復制功能，可以讓任何客戶端訪問任何時刻的數(shù)據(jù)，并且能記住每一個客戶端的訪問位置，還能保證消息不丟失。
用一句話概括Stream就是Redis實現(xiàn)的內存版kafka，支持多播的可持久化的消息隊列，用于實現(xiàn)發(fā)布訂閱功能，借鑒了 kafka 的設計。Redis Stream的結構有一個消息鏈表，將所有加入的消息都串起來，每個消息都有一個唯一的ID和對應的內容。消息是持久化的，Redis重啟后，內容還在。

1.11.2 命令

Redis Stream 的結構如下所示，它有一個消息鏈表，將所有加入的消息都串起來，每個消息都有一個唯一的 ID 和對應的內容

每個 Stream 都有唯一的名稱，它就是 Redis 的 key，在我們首次使用 xadd 指令追加消息時自動創(chuàng)建。

上圖解析：

• Consumer Group ：消費組，使用 XGROUP CREATE 命令創(chuàng)建，一個消費組有多個消費者(Consumer)。
• last_delivered_id ：游標，每個消費組會有個游標 last_delivered_id，任意一個消費者讀取了消息都會使游標 last_delivered_id 往前移動。
• pending_ids ：消費者(Consumer)的狀態(tài)變量，作用是維護消費者的未確認的 id。 pending_ids 記錄了當前已經(jīng)被客戶端讀取的消息，但是還沒有 ack (Acknowledge character：確認字符）。

消息隊列相關命令：

• XADD ：添加消息到末尾
  使用 XADD 向隊列添加消息，如果指定的隊列不存在，則創(chuàng)建一個隊列
  語法格式：XADD key ID field value [field value ...]
  • key ：隊列名稱，如果不存在就創(chuàng)建
  • ID ：消息 id，我們使用 * 表示由 redis 生成，可以自定義，但是要自己保證遞增性。
  • field value ： 記錄
• XTRIM ：對流進行修剪，限制長度
  語法格式：XTRIM key MAXLEN [~] count
  • key ：隊列名稱
  • MAXLEN ：長度
  • count ：數(shù)量
• XDEL ：刪除消息
  語法格式：XDEL key ID [ID ...]
  • key：隊列名稱
  • ID ：消息 ID
• XLEN ：獲取流包含的元素數(shù)量，即消息長度
  語法格式：XLEN key，key：隊列名稱
• XRANGE ：獲取消息列表，會自動過濾已經(jīng)刪除的消息
  語法格式：XRANGE key start end [COUNT count]
  • key ：隊列名
  • start ：開始值，-表示最小值
  • end ：結束值， + 表示最大值
  • count ：數(shù)量
• XREVRANGE ：反向獲取消息列表，ID 從大到小
  語法格式：XREVRANGE key end start [COUNT count]
  • key ：隊列名
  • end ：結束值， + 表示最大值
  • start ：開始值， - 表示最小值
  • count ：數(shù)量
• XREAD ：以阻塞或非阻塞方式獲取消息列表
  語法格式：XREAD [COUNT count] [BLOCK milliseconds] STREAMS key [key ...] id [id ...]
  • count ：數(shù)量
  • milliseconds ：可選，阻塞毫秒數(shù)，沒有設置就是非阻塞模式
  • key ：隊列名
  • id ：消息 ID

消費者組相關命令：

• XGROUP CREATE ：創(chuàng)建消費者組
  語法格式：XGROUP [CREATE key groupname id-or-$] [SETID key groupname id-or-$] [DESTROY key groupname] [DELCONSUMER key groupname consumername]
  • key ：隊列名稱，如果不存在就創(chuàng)建
  • groupname ：組名。
  • $ ： 表示從尾部開始消費，只接受新消息，當前 Stream 消息會全部忽略。
  • 從頭開始消費:
    XGROUP CREATE mystream consumer-group-name 0-0
  • 從尾部開始消費:
    XGROUP CREATE mystream consumer-group-name $
• XREADGROUP GROUP ：讀取消費者組中的消息
  語法格式：XREADGROUP GROUP group consumer [COUNT count] [BLOCK milliseconds] [NOACK] STREAMS key [key ...] ID [ID ...]
  • group ：消費組名
  • consumer ：消費者名
  • count ： 讀取數(shù)量
  • milliseconds ： 阻塞毫秒數(shù)
  • key ： 隊列名
  • ID ： 消息 ID
• XACK ：將消息標記為"已處理"
• XGROUP SETID ：為消費者組設置新的最后遞送消息ID
• XGROUP DELCONSUMER ：刪除消費者
• XGROUP DESTROY ：刪除消費者組
• XPENDING ：顯示待處理消息的相關信息
• XCLAIM ：轉移消息的歸屬權
• XINFO ：查看流和消費者組的相關信息；
• XINFO GROUPS ：打印消費者組的信息；
• XINFO STREAM ：打印流信息

1.11.3 內部編碼

stream底層的數(shù)據(jù)結構是radix tree：Radix Tree(基數(shù)樹) 事實上就是幾乎相同是傳統(tǒng)的二叉樹。僅僅是在尋找方式上，以一個unsigned int類型數(shù)為例，利用這個數(shù)的每個比特位作為樹節(jié)點的推斷。能夠這樣說，比方一個數(shù)10001010101010110101010，那么依照Radix 樹的插入就是在根節(jié)點，假設遇到0，就指向左節(jié)點，假設遇到1就指向右節(jié)點，在插入過程中構造樹節(jié)點，在刪除過程中刪除樹節(jié)點。

如下是一個保存了7個單詞的Radix Tree：

127.0.0.1:6379> xadd mystream * key1 128
"1576480551233-0"
127.0.0.1:6379> object encoding mystream
"unknown"

mystream 總共由 3 部分構成：

• 第一部分是 robj， 每個 redis 對象實例都會有一個最基本的結構來存儲它實際的類型, 編碼和對應的結構的位置
• 第二部分是一個 rax, 用作存儲 stream ID
• 第三部分是 listpack，rax 下的每一個 key 節(jié)點都會把對應的 keys 和 values 的值存在這個 listpack 結構中

  

總結 

到此這篇關于Redis數(shù)據(jù)類型的文章就介紹到這了,更多相關Redis數(shù)據(jù)類型內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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