Redis1——基本命令及原理

1. Redis原理

Redis是Remote Dictionary Service的简称，及远程字典服务。Redis是一个基于内存的存储键值对的非关系型数据库。

1.1 特点

• 没有显式地创建和和删除数据结构地语句，当添加元素地时候自动创建，当删除元素时，如果集合为空，则自动删除数据结构。
• 数据量少的时候，以存储效率高为主（ziplist），数据量大的时候以查询效率高为主（skiplist，dict）

1.2 数据类型及其存储方式

主要是指value指的数据结构：

1.2.1 string 字符串

存储结构：如果字符串可以表示为整数，且范围在64位二进制以内，则存储为整数，否则使用sds存储。

sds是一个能够动态扩容的内存安全的数组结构，当字符串长度不超过512M时使用它来存储。

如果字符串长度小于44字节，使用embstr编码（压缩编码），将redis对象结构与SDS分配在连续的内存中，减少内存碎片。

否则采用raw编码（普通编码），将redis对象结构与SDS分开存储，因此需要更多的内存分配和释放操作。

注意：redis的string是一个安全的二进制字符串。二进制指可以不存储为字符编码，安全是指保存了字符串的长度信息。

1.2.2 list 列表

存储结构：当节点总数小于等于512或者元素长度都不超过64字节时采用ziplist压缩列表。否则采用quicklist双向循环链表。

注意：保证插入有序。

1.2.3 hash 哈希表

存储结构：节点数量大于512(hash-max-ziplist-entries)或所有字符串长度大于64(hash-max-ziplist-value)，则使用dict实现。

节点数量小于等于512且有一个字符串长度小于64，则使用ziplist实现。

注意：保存的元素为键值对，能够去重。

1.2.4 set 集合

存储结构：元素都为整数且元素数量小于等于512（set-max-intset-entries)，则使用整数数组存储。否则使用dict。

注意：保存的元素为值，能够去重。

1.2.5 zset 有序集合

存储结构：节点数量大于128或者有一个字符串长度大于64，则使用跳表skiplist，否则使用压缩列表ziplist。

2. 基本命令及应用场景：

2.1 Redis应用场景

用于各种需要高效的临时存储和访问数据的场景。例如用作缓存中间件：缓存热点数据；用户标识信息等。

2.2 string——sds动态字符串

扩容策略：当长度小于1M时，加倍扩容；超过1M每次只扩容1M；字符串最大为512M。

存储内容：既可以存储字符串，也可以存储其它二进制数据，例如二进制协议数据protobuf等。

基本操作：

# 赋值与查询
SET key val
SETNX key val	# 如果不存在才赋值
GET key
# 增加
INCR key	# 累加1
INCRBY key increment
# 减少
DECR key
DECRBY key decrement
# 删除各种类型的kv对
DEL key
# 查看值得数据类型
TYPE key

应用

作为位图使用

# 将其作为二进制数据，位图
SETBIT key offset value
BITCOUNT key start end
GETBIT key offset

对象存储

SET key '{"name":["li", "lou", "la"], "age": [21, 33, 12]}'

累加器

incr num
incrby num 100

分布式锁

# 获取锁
SET lock_key uuid NX EX 10

释放锁：lua脚本，保证原子性

if redis.call("GET", lock_key) == uuid then-- 成功释放return redis.call("DEL", KEYS[1])
else return 0
end

2.3 list——双向循环链表

列表首尾操作时间复杂度为O(1)，中间元素操作时间复杂度为O(n)。

基本操作

LPUSH key e1 e2 ... en # 插入左侧
LPOP key [count] # 弹出左侧
RPUSH key e1 e2 ... en # 掺入右侧
RPOP key [count]
# 查询
LRANGE key start end
# 删除
LREM key count element
# 阻塞弹出，如果列表为空就等待
BRPOP k1 k2 ... kn timout
# 裁剪数据，只保留特定范围的数据
ltrim key start end

应用

栈（先进后出）

LPUSH + LPOP
# 或者
RPUSH + RPOP

队列（先进先出）

LPUSH + RPOP
# 或者
RPUSH + LPOP

阻塞队列

LPUSH + BRPOP
# 或者
RPUSH + BLPOP

异步消息队列

# 同队列操作，只是在不同的系统之间

获取固定窗口的数据记录

# 获取最近50条记录
LTRIM key 0 49

2.4 hash——散列表

数据类型为散列表，保存多个键值对，可以方便修改某个字段的值。

基本命令

# 赋值与查询
hset key f1 v1 f2 v2 ... fn vn
hmset key f1 v1 f2 v2 ... fn vn
hgetall key
hget key field# 递增
hincrby key field increment
# 查看键值对个数
hlen key
# 删除
hdel key field

应用

通常将hash与其它数据结构组合，完成业务功能

2.5 set——无序集合

基本命令

# 添加元素
SADD key m1 m2 ... mn
# 查看集合所有元素
SMEMBERS key
# 查询元素个数
SCARD key# 查询集合中是否存在某个元素
SISMEMBER key member
# 从集合中随机返回一个或多个元素，但不删除
SRANDMEMBER key [count]
# 从集合中随机删除一个或多个元素
SPOP key [count]# 做差集
SDIFF key [key ...]
# 做交集
SINTER key [key ...]
# 做并集
SUNION key [key ...]

应用

抽奖

srandmember key 10

共同关注的人

sinter key1 key2

推荐好友

sdiff john tom # 将john的好友推荐给tom

2.6 zset——有序集合

基础命令

# 插入元素
ZADD key [NX|XX] [CH] [INCR] s1 m1 s2 m2 ... sn mn
# 删除元素
ZREM key m1 m2 ... mn
ZREMRANGEBYSCORE key min max
# 返回score
ZSCORE key member
# 修改score
ZINCRBY key increment member
# 返回元素个数
ZCARD key
# 返回排名
ZRANK key member
# 返回排名范围的member，默认时从小到大排序
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
# 逆序返回
ZREVRANGE key start stop [WITHSOCRES]

应用

排行榜

ZINCRBY players 13 adam
# 返回分数最大前10位player
ZREVRANGE players 0 9 withscores

延时队列

使用zset保存消息，其score为到期时间，这样可以轮询zset将到期的消息取出处理。

def delay(msg):msg.id = str(uuid.uuid4())value = json.dumps(msg)retry_ts = time.time() + 5redis.zadd("delay-queue", retry_ts, value)def loop():while True:values = redis.zrangebyscore("delay-queue", 0, time.time(), start=0, num=1)if not values:time.sleep(1)continuevalue = values[0]success = redis.zrem("delay-queue", value)# 保证原子性if success:msg = json.loads(value)handle_msg(msg)

分布式定时器

生产者将定时任务利用hash分配到不同的redis中，每个redis有一个dispather进程，不断从中获取到期的定时任务并发布到不同的消费者中。

时间窗口限流

限定用户的某个行为在指定的可动态变化的时间范围内最多发生N次

local function is_action_allowed(res, userid, action, period, max_count)local key = tab_concat({"hist", userid, action}, ":")local now = zv.time()red:init_pipeline()-- 记录行为red:zadd(key, now, now)-- 移除时间窗口外的行为red:zremrangebyscore(key, 0, now - period * 100)-- 获取时间窗口内的行为数量red:zcard(key)-- 设置过期时间red:expire(key, period + 1)local res = red:commit_pipeline()return res[3] <= max_count
end

2. 如何设计kv

2.1 如何设计key

对于单个功能的单个key，使用有意义的名字

SET name lee

对于相同功能的多个key，使用有意义的字段并用冒号分隔。

SETBIT sign:lee:202410 12 1

学习参考

学习更多相关知识请参考零声 github。