Redis的五大数据类型的数据结构

概述

  Redis底层有六种数据类型包括：简单动态字符串、双向链表、压缩列表、哈希表、跳表和整数数组。这六种数据结构五大数据类型关系如下：

• String：简单动态字符串
• List：双向链表、压缩列表
• Hash：压缩列表、哈希表
• Sorted Set：压缩列表、跳表
• Set：哈希表、整数数组

          数据类型和底层数据结构对应关系

  每种数据结构特性不一样，操作时间也不一样。

        数据结构的时间复杂度

二、数据结构

  从上述图中可以知道，Redis的底层数据结构由简单动态字符串、双向链表、压缩列表、哈希表、跳表、整数数组组成，其中哈希表和整数数组基本上大家都很熟悉了，下面重点介绍一下其余的几种数据结构。

1、简单动态字符串(SDS)

  结构：alloc，len，buf

        简单动态字符串结构

  buf：字节数组，保存实际数据。为了表示字节数组的结束，Redis 会自动在数组最后加一个“\0”，这就会额外占用 1 个字节的开销。

  len：占 4 个字节，表示 buf 的已用长度。

  alloc：也占个 4 字节，表示 buf 的实际分配长度，一般大于 len。

  那么SDS与C字符串有什么区别呢？区别主要有如下两点：

  （1）获取字符串长度时间复杂度为O(1)

  （2）在修改字符串时，会先检查长度是否够长，不够会进行扩展，避免缓冲区溢出

2、链表

  Redis使用的是双向无环链表，并且具有以下几个特点：

  （1）双端：链表具有前置节点和后置节点的引用，获取这两个节点时间复杂度都为O(1)。

  （2）无环：表头节点的 prev 指针和表尾节点的 next 指针都指向 NULL,对链表的访问都是以 NULL 结束。

  （3）带链表长度计数器：通过 len 属性获取链表长度的时间复杂度为 O(1)。

  （4）多态：链表节点使用 void* 指针来保存节点值，可以保存各种不同类型的值。

3、压缩列表

  压缩列表（ziplist）是Redis为了节省内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构，一个压缩列表可以包含任意多个节点（entry），每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。压缩列表并不是对数据利用某种算法进行压缩，而是将数据按照一定规则编码在一块连续的内存区域，目的是节省内存。

压缩列表实际上类似于一个数组，数组中的每一个元素都对应保存一个数据。和数组不同的是，压缩列表在表头有三个字段 zlbytes、zltail 和 zllen，分别表示列表长度、列表尾的偏移量和列表中的 entry 个数；压缩列表在表尾还有一个 zlend，表示列表结束；

我们要查找定位第一个元素和最后一个元素，可以通过表头三个字段的长度直接定位，复杂度是 O(1)。而查找其他元素时，就没有这么高效了，只能逐个查找，此时的复杂度就是 O(N) 了。

          压缩表的查找过程

4、跳表

  跳表在链表的基础上，增加了多级索引，通过索引位置的几个跳转，实现数据的快速定位，时间复杂度为O(logN)，比起链表，跳表的查询效率大大提高到了 O(logn)。

        跳表查找过程

三、Redis数据类型的基本数据结构

1、String（字符串）

  1.1 String的内部结构

  redis没有直接使用C语言中的字符串表示，而是自己构建了一个字符串，名为 “简单动态字符串” （simple dynamic string ， SDS）。其中，C语言中的字符串只是作为字符串面量（通常在无须对字符串值进行修改的地方使用）。

  String在结构上的实现类似于Java中的ArrayList（默认构造一个大小为10的初始数组），这是冗余分配内存的思想，也称为预分配；这种思想可以减少扩容带来的性能消耗。

              String的内部结构

1.2 String使用的数据编码

  存储数字的话，采用int类型的编码，如果是非数字的话，采用 raw 编码；

1.3 使用场景

  （1） 简单字符缓存

  （2） 分布式锁

  （3）计数功能——》计数服务

2、List(列表)

2.1 List的内部结构

  Redis的列表相当于Java语言中的LinkedList，它是一个双向链表数据结构（但是这个结构设计比较巧妙，后面会介绍），支持前后顺序遍历。链表结构插入和删除操作快，时间复杂度O(1)，查询慢，时间复杂度O(n)。

                List的内部结构

2.2 List使用的数据编码

  字符串长度及元素个数小于一定范围使用 ziplist 编码，任意条件不满足，则转化为 linkedlist 编码。

2.3 使用场景

  （1）利用List实现栈、队列

  （2）redis做消息队列（不推荐使用redis做消息队列）

  （3）列表缓存

3、Hash(字典)

3.1 Hash的内部结构

  Redis的hash(字典)相当于Java语言中的HashMap，它是根据散列值分布的无序字典，内部的元素是通过键值对的方式存储。

  hash(字典)的实现与Java中的HashMap（JDK1.7）的结构也是一致的，它的数据结构也是数组+链表组成的二维结构，节点元素散列在数组上，如果发生hash碰撞则使用链表串联在数组节点上。

        Hash的内部结构

3.2 Hash使用的数据编码

  hash 对象保存的键值对内的键和值字符串长度小于一定值及键值对。

3.3 使用场景

  （1） 存储对象

4、Set（集合）

4.1 Set的内部结构

  Redis的set(集合)相当于Java语言里的HashSet，它内部的键值对是无序的、唯一的。它的内部实现了一个所有value为null的特殊字典。
集合中的最后一个元素被移除之后，数据结构被自动删除，内存被回收。

        Set的内部结构

4.2 Set使用的数据编码

  保存元素为整数及元素个数小于一定范围使用 intset 编码，任意条件不满足，则使用 hashtable 编码。

4.3 使用场景

  （1）标签，社交，查询有共同兴趣爱好的人,智能推荐

  （2）抽奖

  （3）朋友圈点赞

5、Zset（有序集合）

5.1 Zset的内部结构

  zset(有序集合)是Redis中最常问的数据结构。它类似于Java语言中的SortedSet和HashMap的结合体，它一方面通过set来保证内部value值的唯一性，另一方面通过value的score（权重）来进行排序。这个排序的功能是通过Skip List（跳跃列表）来实现的。zset(有序集合)的最后一个元素value被移除后，数据结构被自动删除，内存被回收。

        Zset的内部结构

5.2 Zset使用的数据编码

  zset 对象中保存的元素个数小于及成员长度小于一定值使用 ziplist 编码，任意条件不满足，则使用 skiplist 编码。

5.3 使用场景

  （1）排名场景