Redis数据库

Redis是k-v型数据库的典范，设计思想及数据结构实现都值得学习。

1、数据类型

value支持五种数据类型：
1.字符串（strings）
2.字符串列表（lists）
3.字符串集合（sets）
4.有序字符串集合（sorted sets）
5.哈希（hashes）
而关于key，有几个点要提醒大家：
1.key不要太长，尽量不要超过1024字节，这不仅消耗内存，而且会降低查找的效率；
2.key也不要太短，太短的话，key的可读性会降低；
3.在一个项目中，key最好使用统一的命名模式，例如user:10000:passwd。

redis数据结构 – strings

如果只使用redis中的字符串类型，且不使用redis的持久化功能，那么，redis就和memcache非常非常的像了。

set mystr "hello world!" //设置字符串类型
get mystr //读取字符串类型

字符串类型的用法就是这么简单，因为是二进制安全的，所以你完全可以把一个图片文件的内容作为字符串来存储。另外，我们还可以通过字符串类型进行数值操作。

127.0.0.1:6379> set mynum "2"
OK
127.0.0.1:6379> get mynum
"2"
127.0.0.1:6379> incr mynum
(integer) 3
127.0.0.1:6379> get mynum
"3"

看，在遇到数值操作时，redis会将字符串类型转换成数值。

由于INCR等指令本身就具有原子操作的特性，所以我们完全可以利用redis的INCR、INCRBY、DECR、DECRBY等指令来实现原子计数的效果，假如，在某种场景下有3个客户端同时读取了mynum的值（值为2），然后对其同时进行了加1的操作，那么，最后mynum的值一定是5。不少网站都利用redis的这个特性来实现业务上的统计计数需求。

redis数据结构 – lists

redis中的lists在底层实现上并不是数组，而是链表，也就是说对于一个具有上百万个元素的lists来说，在头部和尾部插入一个新元素，其时间复杂度是常数级别的，比如用LPUSH在10个元素的lists头部插入新元素，和在上千万元素的lists头部插入新元素的速度应该是相同的。

虽然lists有这样的优势，但同样有其弊端，那就是，链表型lists的元素定位会比较慢，而数组型lists的元素定位就会快得多。lists的常用操作包括LPUSH、RPUSH、LRANGE等。我们可以用LPUSH在lists的左侧插入一个新元素，用RPUSH在lists的右侧插入一个新元素，用LRANGE命令从lists中指定一个范围来提取元素。我们来看几个例子：

//新建一个list叫做mylist，并在列表头部插入元素"1"
127.0.0.1:6379> lpush mylist "1"
//返回当前mylist中的元素个数
(integer) 1
//在mylist右侧插入元素"2"
127.0.0.1:6379> rpush mylist "2"
(integer) 2
//在mylist左侧插入元素"0"
127.0.0.1:6379> lpush mylist "0"
(integer) 3
//列出mylist中从编号0到编号1的元素
127.0.0.1:6379> lrange mylist 0 1
1) "0"
2) "1"
//列出mylist中从编号0到倒数第一个元素
127.0.0.1:6379> lrange mylist 0 -1
1) "0"
2) "1"
3) "2"

lists的应用相当广泛，随便举几个例子：

1.我们可以利用lists来实现一个消息队列，而且可以确保先后顺序，不必像MySQL那样还需要通过ORDER BY来进行排序。
2.利用LRANGE还可以很方便的实现分页的功能。
3.在博客系统中，每片博文的评论也可以存入一个单独的list中。

redis数据结构 – 集合

redis的集合，是一种无序的集合，集合中的元素没有先后顺序。

集合相关的操作也很丰富，如添加新元素、删除已有元素、取交集、取并集、取差集等。我们来看例子：

//向集合myset中加入一个新元素"one"
127.0.0.1:6379> sadd myset "one"
(integer) 1
127.0.0.1:6379> sadd myset "two"
(integer) 1
//列出集合myset中的所有元素
127.0.0.1:6379> smembers myset
1) "one"
2) "two"
//判断元素1是否在集合myset中，返回1表示存在
127.0.0.1:6379> sismember myset "one"
(integer) 1
//判断元素3是否在集合myset中，返回0表示不存在
127.0.0.1:6379> sismember myset "three"
(integer) 0
//新建一个新的集合yourset
127.0.0.1:6379> sadd yourset "1"
(integer) 1
127.0.0.1:6379> sadd yourset "2"
(integer) 1
127.0.0.1:6379> smembers yourset
1) "1"
2) "2"
//对两个集合求并集
127.0.0.1:6379> sunion myset yourset
1) "1"
2) "one"
3) "2"
4) "two"

redis数据结构 – 有序集合

很多时候，我们都将redis中的有序集合叫做zsets，这是因为在redis中，有序集合相关的操作指令都是以z开头的，比如zrange、zadd、zrevrange、zrangebyscore等等

127.0.0.1:6379> zadd myzset 1 baidu.com
(integer) 1
//向myzset中新增一个元素360.com，赋予它的序号是3
127.0.0.1:6379> zadd myzset 3 360.com
(integer) 1
//向myzset中新增一个元素google.com，赋予它的序号是2
127.0.0.1:6379> zadd myzset 2 google.com
(integer) 1
//列出myzset的所有元素，同时列出其序号，可以看出myzset已经是有序的了。
127.0.0.1:6379> zrange myzset 0 -1 with scores
1) "baidu.com"
2) "1"
3) "google.com"
4) "2"
5) "360.com"
6) "3"
//只列出myzset的元素
127.0.0.1:6379> zrange myzset 0 -1
1) "baidu.com"
2) "google.com"
3) "360.com"

redis数据结构 – 哈希

哈希是从redis-2.0.0版本之后才有的数据结构。 hashes存的是字符串和字符串值之间的映射，比如一个用户要存储其全名、姓氏、年龄等等，就很适合使用哈希。

//建立哈希，并赋值
127.0.0.1:6379> HMSET user:001 username antirez password P1pp0 age 34
OK
//列出哈希的内容
127.0.0.1:6379> HGETALL user:001
1) "username"
2) "antirez"
3) "password"
4) "P1pp0"
5) "age"
6) "34"
//更改哈希中的某一个值
127.0.0.1:6379> HSET user:001 password 12345
(integer) 0
//再次列出哈希的内容
127.0.0.1:6379> HGETALL user:001
1) "username"
2) "antirez"
3) "password"
4) "12345"
5) "age"
6) "34"

2、设计思想和应用

丰富的数据结构使redis的设计非常的有趣。不像关系型数据库那样，DEV和DBA需要深度沟通，review每行sql语句，也不像memcached，不需要DBA的参与。redis的DBA需要熟悉数据结构，并能了解使用场景。

以用户登录系统为例，简化后只保留一张数据表，关系型数据库：

mysql> select * from login; 
+---------+----------------+-------------+---------------------+ 
| user_id | name           | login_times | last_login_time     | 
+---------+----------------+-------------+---------------------+ 
|       1 | ken thompson   |           5 | 2011-01-01 00:00:00 | 
|       2 | dennis ritchie |           1 | 2011-02-01 00:00:00 | 
|       3 | Joe Armstrong  |           2 | 2011-03-01 00:00:00 | 

+---------+----------------+-------------+---------------------+

user_id表的主键，name表示用户名，login_times表示该用户的登录次数，每次用户登录后，login_times会自增，而last_login_time更新为当前时间。

关系型数据转化为KV数据库:key为表名：主键值：列名 、value为列值。于是以上的关系数据转化成kv数据后记录如下：

Set login:1:login_times 5
Set login:2:login_times 1
Set login:3:login_times 2
Set login:1:last_login_time 2011-1-1
Set login:2:last_login_time 2011-2-1
Set login:3:last_login_time 2011-3-1
set login:1:name "ken thompson"
set login:2:name "dennis ritchie"
set login:3:name "Joe Armstrong"

这样在已知主键的情况下，通过get、set就可以获得或者修改用户的登录次数和最后登录时间和姓名。一般用户是无法知道自己的id的，只知道自己的用户名，所以还必须有一个从name到id的映射关系，这里的设计与上面的有所不同。

set "login:ken thompson:id" 1
set "login:dennis ritchie:id" 2
set "login: Joe Armstrong:id" 3

这样每次用户登录的时候业务逻辑如下(python版)，r是redis对象，name是已经获知的用户名。

#获得用户的id
uid = r.get("login:%s:id" % name)
#自增用户的登录次数
ret = r.incr("login:%s:login_times" % uid)
#更新该用户的最后登录时间
ret = r.set("login:%s:last_login_time" % uid, datetime.datetime.now())

如果需求仅仅是已知id，更新或者获取某个用户的最后登录时间，登录次数，关系型和kv数据库无啥区别。一个通过btree pk，一个通过hash，效果都很好。考虑以下特殊的情况：

假设有如下需求，查找最近登录的N个用户。开发人员看看，还是比较简单的，一个sql搞定。

select * from login order by last_login_time desc limit N

DBA了解需求后，考虑到以后表如果比较大，所以在last_login_time上建个索引。执行计划从索引leafblock 的最右边开始访问N条记录，再回表N次，效果很好。过了两天，又来一个需求，需要知道登录次数最多的人是谁。同样的关系型如何处理?DEV说简单

select * from login order by login_times desc limit N

DBA一看，又要在login_time上建立一个索引。有没有觉得有点问题呢，表上每个字段上都有素引。关系型数据库的数据存储的的不灵活是问题的源头，数据仅有一种储存方法，那就是按行排列的堆表。统一的数据结构意味着你必须使用索引来改变sql的访问路径来快速访问某个列的，而访问路径的增加又意味着你必须使用统计信息来辅助，于是一大堆的问题就出现了。

没有索引，没有统计计划，没有执行计划，这就是kv数据库。

redis里如何满足以上的需求呢? 对于求最新的N条数据的需求，链表的后进后出的特点非常适合。我们在上面的登录代码之后添加一段代码，维护一个登录的链表，控制他的长度，使得里面永远保存的是最近的N个登录用户。

#把当前登录人添加到链表里
ret = r.lpush("login:last_login_times", uid)
#保持链表只有N位
ret = redis.ltrim("login:last_login_times", 0, N-1)

这样需要获得最新登录人的id，如下的代码即可

last_login_list = r.lrange("login:last_login_times", 0, N-1)

另外，求登录次数最多的人，对于排序，积分榜这类需求，sorted set非常的适合，我们把用户和登录次数统一存储在一个sorted set里。

zadd login:login_times 5 1
zadd login:login_times 1 2
zadd login:login_times 2 3

这样假如某个用户登录，额外维护一个sorted set，代码如此

#对该用户的登录次数自增1
ret = r.zincrby("login:login_times", 1, uid)

那么如何获得登录次数最多的用户呢，逆序排列取的排名第N的用户即可

ret = r.zrevrange("login:login_times", 0, N-1)

可以看出，DEV需要添加2行代码，而DBA不需要考虑索引什么的。