Redis的几种数据模型及应用场景

字符串(K-V)

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字符串(K-V)是我们在Redis中使用最多的一个类型，其中V的值不能超过512M，甚至很多人用Redis只用这个类型。如果只是单纯的使用K-V其实是并没有把Redis的特性发挥出来，在这种使用情况下，使用Redis和使用Memcache并没有过多的区别。

命令

• 设置值
  set key value 直接设置值。
  setex key seconds value 设置值并且带有过期时间。
  setnx key value 设置值，并且判断是否存在。如果存在则设置不成功，如果不存在则设置成功。主要用于分布式锁。
  getset key value 设置并返回原值。

• 获取值
  get key 根据key获取值，如果不存在则返回nil。

• 批量设置值
  mset key value [key value ...] 批量设置K-V，例如：mset a 1 b 2 c 3 d 4。

• 批量获取值
  mget key [key ...]
  下面操作批量获取了键 a、b、c、d 的值：

  127.0.0.1:6379> mget a b c d
  1) "1"
  2) "2"
  3) "3"
  4) "4"
  

  如果有些键不存在，那么它的值为 nil（空），结果是按照传入键的顺序返回：

  127.0.0.1:6379> mget a b c f
  1) "1"
  2) "2"
  3) "3"
  4) (nil)
  

批量调用命令与单个命令相比的好处就是节约了网络请求时间。get命令执行5次，相当于5次请求&响应，但是如果执行mget5个key，只有1次请求&响应。

• 计数
  incr key 根据key自增，并且返回执行后的结果。
  值不是整数，返回错误。
  值是整数，返回自增后的结果。
  键不存在，按照值为0自增，返回结果为1。
  decr key 自减。
  incrby key increment 自增指定数字。
  decrby key decrement 自减指定数字。
  incrbyfloat key increment 自增浮点数。

• 删除
  del key 删除

内部编码

字符串类型的内部编码有3种：

• int：8个字节的长整型。
• embstr：小于等于39个字节的字符串。
• raw：大于39个字节的字符串。
  Redis 会根据当前值的类型和长度决定使用哪种内部编码实现。

使用场景

字符串的使用场景比较常见。我们日常用的缓存，session共享等，都是通过字符串的方式去实现。

哈希(hash)

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在 Redis 中，哈希类型是指键值本身又是一个键值对结构。相当于 key-{field1-value1},{field2-value2},{field3-value3}......{fieldN-valueN}

命令

• 设置值
  hset key field value 设置key-field-value。

• 获取值
  hget key field 如果key或者field不存在，则返回nil。

• 计算 field 个数
  hlen key

• 计算 value 的字符串长度
  hstrlen key field

• 批量设置值&获取值
  hmget key field [field ...] 批量获取值，同一个key，不同的fieled
  hmset key field value [field value ...] 批量设置值，同一个key，不同的field-value。

• 删除field
  hdel key field [field ...] hdel 会删除一个或多个 field，返回结果为成功删除 field 的个数。

• 判断 field 是否存在
  hexists key field 包含时返回结果为1，不包含返回0。

• 获取所有field
  hkeys key 根据key，返回所有的field。

• 获取所有value
  hvals key 根据key，返回所有的value

• 获取所有的 field-value
  hgetall key 根据kye，返回所有的filed及value。如果这个key里面的field太多，而每个field的value也太多，不建议使用，很有可能会引起Redis阻塞。

• 计数（与k-v差不多）
  hincrby key field
hincrbyfloat key field

内部编码

哈希类型的内部编码有两种：

• ziplist（压缩列表）：当哈希类型元素个数小于 hash-max-ziplist-entries 配置（默认512个）、同时所有值都小于 hash-max-ziplist-value 配置（默认64字节）时，Redis 会使用 ziplist 作为哈希的内部实现，ziplist 使用更加紧凑的结构实现多个元素的连续存储，所以在节省内存方面比 hashtable 更加优秀。
• hashtable（哈希表）：当哈希类型无法满足 ziplist 的条件时，Redis 会使用 hashtable 作为哈希的内部实现，因为此时 ziplist 的读写效率会下降，而 hashtable 的读写时间复杂度为O（1）。

使用场景

• 一般情况我们存储一个对象，可以用K-V，key为一个对象的主键，value这个对象（或者对象的json）。这样的话，我们每次get key获取到的就是整个对象，如果这个对象里面我们可能只需要用到一两个字段值，这样的操作其实是非常浪费性能的。而且存储对象的时候，我们需要用到序列化与反序列化，这些也是会消耗一定的性能的。我们可以把整个对象用hash的方式存到Redis中，需要哪个对象的哪些值就获取哪个。

列表（list）

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Redis中的列表可以存储多个有序字符串，最多可以存储2^32-1个元素。而且它支持双向操作，可以从列表两端插入（push）和弹出（pop）。因此，它可以用在很多种数据结构上。

命令

列表主要是四种操作类型

操作类型	操作
增	rpush lpush linsert
删	lpop rpop lrem ltrim
改	lset
查	lrange lindex llen
阻塞	blpop brpop

• 增（插入）
  rpush key value [value ...] 从右边插入value。
  lpush key value [value ...] 从左边插入value。
  linsert key before|after VAL value linsert 命令会从列表中找到等于 VAL 的元素，在其前（before）或者后（after）插入一个新的元素 value。

• 删除
  lpop key 从列表左侧弹出元素。
  rpop key 从列表右侧弹出元素。
  ltrim key start end 按照索引范围修剪列表。
  lrem key count value 删除指定元素。
  rem 命令会从列表中找到等于 value 的元素进行删除，根据 count 的不同分为三种情况：count>0，从左到右，删除最多 count 个元素；count<0，从右到左，删除最多 count 绝对值个元素；
  count=0，删除所有。

• 改
  lset key index newValue 根据index修改列表中的元素。

• 查
  lrange key start end lrange 操作会获取列表指定索引范围所有的元素。索引下标有两个特点：第一，索引下标从左到右分别是0到 N-1，但是从右到左分别是-1到-N，全部分别是0到-1。第二，lrange 中的 end 选项包含了自身，这个和很多编程语言不包含 end 不太相同。
  lindex key index 获取列表指定索引下标的元素。索引下标从左到右分别是0到 N-1，但是从右到左分别是-1到-N。
  llen key 获取列表长度。

• 阻塞

blpop key \[key ...\] timeout
brpop key \[key ...\] timeout

blpop 和 brpop 是 lpop 和 rpop 的阻塞版本，它们除了弹出方向不同，使用方法基本相同，所以下面以 brpop 命令进行说明，brpop 命令包含两个参数：
key[key...]：多个列表的键。
timeout：阻塞时间（单位：秒）。

列表为空：如果 timeout=3，那么客户端要等到3秒后返回，如果 timeout=0，那么客户端一直阻塞等下去。
列表不为空：客户端会立即返回。

在使用 brpop 时，有两点需要注意。

第一点，如果是多个键，那么 brpop 会从左至右遍历键，一旦有一个键能弹出元素，客户端立即返回：

127.0.0.1:6379> brpop list:1 list:2 list:3 0
..阻塞..

此时另一个客户端分别向 list：2和 list：3插入元素：
client-lpush> lpush list:2 element2
(integer) 1
client-lpush> lpush list:3 element3
(integer) 1

客户端会立即返回 list：2中的 element2，因为 list：2最先有可以弹出的元素：
127.0.0.1:6379> brpop list:1 list:2 list:3 0
1) "list:2"
2) "element2_1"



第二点，如果多个客户端对同一个键执行 brpop，那么最先执行 brpop 命令的客户端可以获取到弹出的值。

客户端1：
client-1> brpop list:test 0
...阻塞...

客户端2：
client-2> brpop list:test 0
...阻塞...

客户端3：
client-3> brpop list:test 0
...阻塞...

此时另一个客户端 lpush 一个元素到 list：test 列表中：
client-lpush> lpush list:test element
(integer) 1

那么客户端1最会获取到元素，因为客户端1最先执行 brpop，而客户端2和客户端3继续阻塞：
client> brpop list:test 0
1) "list:test"
2) "element"

内部编码

列表类型的内部编码有两种。

• ziplist（压缩列表）：当列表的元素个数小于 list-max-ziplist-entries 配置（默认512个），同时列表中每个元素的值都小于 list-max-ziplist-value 配置时（默认64字节），Redis 会选用 ziplist 来作为列表的内部实现来减少内存的使用。
• linkedlist（链表）：当列表类型无法满足 ziplist 的条件时，Redis 会使用 linkedlist 作为列表的内部实现。

使用场景

• lpush+lpop=Stack（栈）
• lpush+rpop=Queue（队列）
• lpush+brpop=Message Queue（消息队列）

集合（set）

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集合（set）类型也是用来保存多个的字符串元素，它和Java中的Set是差不多的东西，不允许重复。

命令

• 添加元素
  sadd key element [element ...] 返回结果为添加成功的元素个数（如果已有这个元素，则不计入成功元素）。

• 删除元素
  srem key element [element ...] 返回结果为成功删除元素个数。

• 计算元素个数
  scard key

• 判断元素是否在集合中
  sismember key element 如果给定元素在集合内返回1，反之返回0。

• 随机从集合返回指定个数元素
  srandmember key [count] [count]是可选参数，如果不写默认为1。

• 从集合随机弹出元素
  spop key [count]

• 获取所有元素
  smembers key

• 求多个集合的交集
  sinter key [key ...] 集合1与集合2的共有部分。

• 求多个集合的并集
  suinon key [key ...] 集合1+集合2。

• 求多个集合的差集
  sdiff key [key ...] 集合1-集合2。

• 将交集、并集、差集的结果保存
  sinterstore destination newKey [key1 key2...]
suionstore destination newKey [key1 key2...]
sdiffstore destination newKey [key1 key2...]
  将结果保存到newkey中。

内部编码

集合类型的内部编码有两种：

• intset（整数集合）：当集合中的元素都是整数且元素个数小于 set-max-intset-entries 配置（默认512个）时，Redis 会选用 intset 来作为集合的内部实现，从而减少内存的使用。
• hashtable（哈希表）：当集合类型无法满足 intset 的条件时，Redis 会使用 hashtable 作为集合的内部实现。

使用场景

其实set和Java中的set非常像，一般情况如果不需要与其他服务共享数据，Java中的set足够使用了，在某些情况需要共享数据或者存储的情况才需要用到Redis中的set。
比如，使用抽奖的情况下，就可以先将所有人放到Redis中的set，然后利用spop/srandmember可以实现抽奖。

有序集合（zset）

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有序集合和集合很相似，set是key中包含多个不重复的字符串，zset也是包含了多个不重复的字符串，但是每个字符串带了一个“分数”，分数允许重复。可以根据分数进行排序操作。

命令

• 添加成员
  zadd key score member [score member ...]

• 计算元素个数
  zcard key

• 计算某个成员的分数
  zscore key member

• 计算成员的排名
  zrank key member
zrevrank key member
  zrank是从分数从低到高返回排名，zrevrank反之（排名从0开始计算）。

• 删除成员
  zrem key member [member ...] 返回结果为成功删除元素个数。

• 增加成员的分数
  zincrby key increment member

• 返回指定排名范围的成员
  zrange key start end [withscores]
zrevrange key start end [withscores]
  有序集合是按照分值排名的，zrange是从低到高返回，zrevrange反之。如果加上withscores选项，同时会返回成员的分数。

• 返回指定分数范围的成员
  zrangebyscore key min max [withscores] [limit offset count]
zrevrangebyscore key max min [withscores] [limit offset count]
  其中zrangebyscore按照分数从低到高返回，zrevrangebyscore反之。[limit offset count]选项可以限制输出的起始位置和个数。同时min和max还支持开区间（小括号）和闭区间（中括号），-inf和+inf分别代表无限小和无限大。例如：

127.0.0.1:6379> zrangebyscore user:ranking (200 +inf withscores
1) "tim"
2) "220"
3) "martin"
4) "250"
5) "tom"
6) "260"

• 返回指定分数范围成员个数
  zcount key min max

• 删除指定排名内的升序元素
  zremrangebyrank key start end

• 删除指定分数范围的成员
  zremrangebyscore key min max

内部编码

有序集合类型的内部编码有两种：

• ziplist（压缩列表）：当有序集合的元素个数小于zset-max-ziplist-entries配置（默认128个），同时每个元素的值都小于zset-max-ziplist-value配置（默认64字节）时，Redis会用ziplist来作为有序集合的内部实现，ziplist可以有效减少内存的使用。
• skiplist（跳跃表）：当ziplist条件不满足时，有序集合会使用skiplist作为内部实现，因为此时ziplist的读写效率会下降。

使用场景

有序集合比较典型的使用场景就是排行榜系统。例如视频网站需要对用户上传的视频做排行榜，榜单的维度可能是多个方面的：按照时间、按照播放数量、按照获得的赞数。本节使用赞数这个维度，记录每天用户上传视频的排行榜。

位图（Bitmaps）

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Bitmaps 本身不是一种数据结构，实际上它就是字符串，但是它可以对字符串的位进行操作，它是一个最大长度为512MB（2^32）的位数组。一般情况Bitmaps在普通的业务上是用不了太多的，这里之所以拿出来讲解，是因为它能够实现一个非常强大的功能：布隆过滤器。
Bitmaps 单独提供了一套命令，所以在 Redis 中使用 Bitmaps 和使用字符串的方法不太相同。可以把 Bitmaps 想象成一个以位为单位的数组，数组的每个单元只能存储0和1，数组的下标在 Bitmaps 中叫做偏移量。但是它的每个存储单元都是bit，8bit=1Byt，所以它的存在主要就是占用内存非常少。

命令

• 设置值
  setbit key offset value 设置键的第 offset 个位的值（从0算起，value只能是0或者是1）。

• 获取值
  getbit key offset 获取键的第 offset 位的值（从0开始算）。

• 获取 Bitmaps 指定范围值为1的个数
  bitcount key [start] [end]

• Bitmaps 间的运算
  bitop 运算符 destkey key [key....] bitop 是一个复合操作，它可以做多个 Bitmaps 的 and（交集）、or（并集）、not（非）、xor（异或）操作并将结果保存在 destkey 中

• 计算 Bitmaps 中第一个值为 targetBit 的偏移量
  bitpos key targetBit [start] [end]

使用场景

以下这个业务场景有点牵强，但是还是简单的描述一下吧。如果统计一个网站某一天的用户访问量，我们通常的做法是添加一个用户登录记录流水表，然后根据日期去count(distinct userId)这张表。但是这样的做法会导致这张表里的数据非常多，而且占用大量的空间。
如果用户的ID是自动增长的，那么就可以使用位图。比如ID为125的用户在2019-01-01这一天登录的时候，我们可以使用setbit user:login:2019-01-01 125 1在Bitmaps的偏移量为125的位置设置值为1；如果还有其他的用户登录，同样根据用户ID将对应偏移量的值设置为1。然后调用bitcount user:login:2019-01-01计算出2019-01-01这一天的访问量。
使用位图最方便的是占用资源比较小，而且执行速度会比较快。但是如果活跃用户比较少，而且用户ID又非常大的情况，用位图就有点得不偿失了。比如：2019-01-02这一天只有一个用户访问这个网站，而且这个用户的ID为100000，那么就需要占用1bit*100000的空间。

布隆过滤器 (Bloom Filter)

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布隆过滤器（Bloom Filter）的核心实现是一个超大的位数组和几个哈希函数。假设位数组的长度为m，哈希函数的个数为k，以下图为例，具体的操作流程：首先将位数组进行初始化，将里面每个位都设置为0。这时候我们有一个集合{x, y, z}，对于集合里面的每一个元素，将元素依次通过3个哈希函数进行映射，每次映射都会产生一个哈希值，这个值对应位数组上面的一个点，然后将位数组对应的位置标记为1。查询W元素是否存在集合中的时候，同样的方法将W通过哈希映射到位数组上的3个点。如果3个点的其中有一个点不为1，则可以判断该元素一定不存在集合中。反之，如果3个点都为1，则该元素可能存在集合中。注意：此处不能判断该元素是否一定存在集合中，可能存在一定的误判率。可以从图中可以看到：假设某个元素通过映射对应下标为4，5，6这3个点。虽然这3个点都为1，但是很明显这3个点是不同元素经过哈希得到的位置，因此这种情况说明元素虽然不在集合中，也可能对应的都是1，这是误判率存在的原因。
综合来说：如果这个元素存在，那么可能会存在误判，其实它有可能是不存在的。如果这个元素不存在，那么它一定不存在！

image

语法

其实Redis4.0已经帮我们实现了对应的布隆过滤器，我们简单的看下它的语法。

• 创建布隆过滤器
  bf.reserve key error_rate size key为redis存储键值，error_rate 为错误率（大于0，小于1），size为预计存储的数量（size是比较关键的，需要根据自己的需求情况合理估计，设置太小的话会增大错误率，设置太大会占用过多不必要的空间）

• 添加元素
  bf.add key value 添加值到布隆过滤器中（当过滤器不存在的时候会，会以默认值自动创建一个，建议最好提前创建好）
  bf.madd key value [value ...] 批量插入元素到布隆过滤器

• 判断是否存在
  bf.exists key value 判断值是否存在过滤器中 1（表示很可能存在） 0 （表示绝对不存在）
  bf.mexists key value [value ...] 批量判断判断值是否存在过滤器中

应用场景

如果我们结合BitMaps，就可以实现一个布隆过滤器。布隆过滤器的应用场景也非常广泛，举一个比较典型的例子：
通常，我们对缓存的操作是：

Object obj = 查询缓存(key);
if (obj == null) {
    obj = 查询数据库(key);
    
    if (obj != null) {
        设置缓存数据(key, obj);
    }
}
return obj;

但是，这里产生了一个问题：如果这个key本身在我们的数据库就是一个不存在的值，那么这里会直接造成缓存穿透。如果我们的数据库这个表中的数据特别多，而且有人知道这个漏洞，一直调用这个接口，查询这个根本不存在的key，会对数据库造成非常大的压力，甚至压垮数据库。
解决方案：

• 我们把数据库中，这个表全部的key同步到redis中。这个方案应该是一般人第一想法，但是如果这个表中的数据特别多，那么直接会造成Redis内存爆了。
• 利用布隆过滤器，对每个key进行多次hash，将每次hash出来的值当作offset修改Bitmaps的值为1。如果需要查询这个key，先查缓存，再查布隆过滤器对应的Bitmaps，最后确定有这个值就再查数据库。

Object obj = 查询缓存(key);
if (obj == null) {
    boolean exists = 查询Bitmaps(key);
    
    if (exists)
    {
        obj = 查询数据库(key);
        
        if (obj != null) {
            设置缓存数据并修改Bitmaps(key, obj);
        }
    }
}
return obj;