深入剖析Redis系列 – Redis数据结构与全局命令概述

前言

Redis?提供了?5?种数据结构。了解每种数据结构的特点，对于?Redis?的?开发运维?非常重要，同时掌握?Redis?的?单线程命令解决?机制，会使?数据结构?和?命令?的选择事半功倍。

接下来的几篇文章，将从如下几个方面详情?Redis?的几种数据结构，命令使用及其应用场景。

预备知识：几个简单的?全局命令，数据结构?和?内部编码，单线程命令?解决机制分析。

数据结构特性：5?种?数据结构?的特点、命令使用、应用场景。

数据管理：键管理、遍历键、数据库管理。

正文

1. 预备知识

在详情?5?种?数据结构?之前，需要先理解?Redis?的少量?全局命令、数据结构?和?内部编码、单线程命令解决机制。

Redis?的命令有?上百个，了解?Redis?的少量机制，会发现这些命令有很强的?通用性。

Redis?不是万金油，有些?数据结构?和?命令?必需在?特定场景?下使用，一旦?使用不当?可能对?Redis?本身?或者者?应用本身?造成致命伤害。

2. 全局命令

Redis?有?5?种?数据结构，它们是?键值对?中的?值，对于?键?来说有少量通用的命令。

2.1. 查看所有键

keys *

下面插入了?3?对字符串类型的键值对：

127.0.0.1:6379>?set?hello?world?OK?127.0.0.1:6379>?set?java?jedis?OK?127.0.0.1:6379>?set?python?redis-py?OK?复制代码

命令会将所有的键输出：

127.0.0.1:6379>?keys?*?1)?”python”?2)?”java”?3)?”hello”?复制代码

2.2. 键总数

dbsize

下面插入一个?列表类型?的?键值对（值是?多个元素?组成）：

127.0.0.1:6379>?rpush?mylist?a?b?c?d?e?f?g?(integer)?7?复制代码

dbsize?命令会返回当前数据库中?键的总数。

127.0.0.1:6379>?dbsize?(integer)?4?复制代码

dbsize?命令在?计算键总数?时?不会遍历?所有键，而是直接获取?Redis?内置的键总数变量，所以?dbsize?命令的?时间复杂度?是?O（1）。而?keys?命令会?遍历?所有键，所以它的?时间复杂度?是?O（n），当?Redis?保存了?大量键?时，线上环境?禁止?使用。

2.3. 检查键能否存在

exists key

假如键存在则返回?1，不存在则返回?0：

127.0.0.1:6379>?exists?java?(integer)?1?127.0.0.1:6379>?exists?not_exist_key?(integer)?0?复制代码

2.4. 删除键

del key

del?是一个?通用命令，无论值是什么?数据结构?类型，del?命令都可以将其?删除。

127.0.0.1:6379>?del?java?(integer)?1?127.0.0.1:6379>?exists?java?(integer)?0?127.0.0.1:6379>?del?not_exist_key?(integer)?0?127.0.0.1:6379>?exists?not_exist_key?(integer)?0?复制代码

返回结果为?成功删除?的?键的个数，假设删除一个?不存在?的键，就会返回?0。

2.5. 键过期

expire key seconds

Redis?支持对?键?增加?过期时间，当超过过期时间后，会?自动删除键，例如为键?hello?设置?10?秒过期时间：

127.0.0.1:6379>?set?hello?world?OK?127.0.0.1:6379>?expire?hello?10??(integer)?0?复制代码

ttl?命令会返回键的?剩余过期时间，它有?3?种返回值：

大于等于?0?的整数：表示键?剩余?的?过期时间。

返回?-1：键?没设置?过期时间。

返回?-2：键?不存在。

可以通过?ttl?命令观察?键?hello?的?剩余过期时间：

#?还剩7秒?127.0.0.1:6379>?ttl?hello(integer)??(integer)?7?…?#?还剩1秒?127.0.0.1:6379>?ttl?hello(integer)??(integer)?1?#?返回结果为-2，说明键hello已经被删除?127.0.0.1:6379>?ttl?hello(integer)??(integer)?-2?127.0.0.1:6379>?get?hello?(nil)?复制代码

2.6. 键的数据结构类型

type key

例如键?hello?是的值?字符串类型，返回结果为?string。键?mylist?的值是?列表类型，返回结果为?list。假如键不存在，则返回?none。

127.0.0.1:6379>?set?a?b?OK?127.0.0.1:6379>?type?a?string?127.0.0.1:6379>?rpush?mylist?a?b?c?d?e?f?g?(integer)?7?127.0.0.1:6379>?type?mylist?list?复制代码

3. 数据结构和内部编码

type?命令实际返回的就是当前?键?的?数据结构类型，它们分别是：string（字符串）、hash（哈希）、list（列表）、set（集合）、zset（有序集合），但这些只是?Redis?对外的?数据结构。如图所示：

对于每种?数据结构，实际上都有自己底层的?内部编码?实现，而且是?多种实现。这样?Redis?会在合适的?场景?选择合适的?内部编码，如图所示：

可以看到，每种?数据结构?都有?两种以上?的?内部编码实现。例如?list?数据结构?包含了?linkedlist?和?ziplist?两种?内部编码。同时有些?内部编码，例如?ziplist，可以作为?多种外部数据结构?的内部实现，可以通过?object encoding?命令查询?内部编码：

127.0.0.1:6379>?object?encoding?hello?”embstr”?127.0.0.1:6379>?object?encoding?mylist?”quicklist”?复制代码

可以看到键?hello?对应值的?内部编码?是?embstr，键?mylist?对应值的?内部编码?是?ziplist。

Redis?这样设计有两个好处：

其一：可以改进?内部编码，而对外的?数据结构?和?命令?没有影响。例如?Redis3.2?提供的?quicklist，结合了?ziplist?和?linkedlist?两者的优势，为?列表类型?提供了一种?更加高效?的?内部编码实现。

其二：不同?内部编码?可以在?不同场景?下发挥各自的?优势。例如?ziplist?比较?节省内存，但是在列表?元素比较多?的情况下，性能?会有所?下降，这时候?Redis?会根据?配置，将列表类型的?内部实现?转换为?linkedlist。

4. 单线程架构

Redis?使用了?单线程架构?和?I/O?多路复用模型?来实现?高性能?的?内存数据库服务。那为什么?单线程?还能这么快，下面分析起因：

4.1. 纯内存访问

Redis?将所有数据放在?内存?中，内存的?响应时长?大约为?100?纳秒，这是?Redis?达到?每秒万级别?访问的重要基础。

4.2. 非阻塞I/O

Redis?使用?epoll?作为?I/O?多路复用技术?的实现，再加上?Redis?自身的?事件解决模型?将?epoll?中的?连接、读写、关闭?都转换为?事件，从而不用不在?网络?I/O?上白费过多的时间，如图所示：

4.3. 单线程避免线程切换和竞态产生的消耗

采用?单线程?就能达到如此?高的性能，那么不失为一种不错的选择，由于?单线程?能带来几个好处：

单线程?可以简化?数据结构和算法?的实现，开发人员不需要理解复杂的?并发数据结构。

单线程?避免了?线程切换?和?竞态?产生的消耗，对于服务端开发来说，锁和线程切换?通常是性能杀手。

单线程?的问题：对于?每个命令?的?执行时间?是有要求的。假如某个命令?执行过长，会造成其余命令的?阻塞，对于?Redis?这种?高性能?的服务来说是致命的，所以?Redis?是面向?快速执行?场景的数据库。

小结

本文堆?Redis?的几种?数据结构?进行了概述，详情了几个简单的?全局命令，数据结构?和?内部编码?以及?单线程命令?解决机制分析。