深入剖析Redis系列(四) - Redis資料結構與全域性命令概述
Redis 提供了 5 種資料結構。理解每種資料結構的特點，對於 Redis 的 開發運維 非常重要，同時掌握 Redis 的 單執行緒命令處理 機制，會使 資料結構 和 命令 的選擇事半功倍。
接下來的幾篇文章，將從如下幾個方面介紹 Redis 的幾種資料結構，命令使用及其應用場景。
- 預備知識 ：幾個簡單的 全域性命令 ， 資料結構 和 內部編碼 ， 單執行緒命令 處理機制分析。
- 資料結構特性 ：
5種 資料結構 的特點、 命令使用 、 應用場景 。 - 資料管理 ： 鍵管理 、 遍歷鍵 、 資料庫管理 。
正文
1. 預備知識
在介紹 5 種 資料結構 之前，需要先了解 Redis 的一些 全域性命令 、 資料結構 和 內部編碼 、 單執行緒命令處理機制 。
-
Redis的命令有 上百個 ，理解Redis的一些機制，會發現這些命令有很強的 通用性 。 -
Redis不是萬金油，有些 資料結構 和 命令 必須在 特定場景 下使用，一旦 使用不當 可能對Redis本身 或者 應用本身 造成致命傷害。
2. 全域性命令
Redis 有 5 種 資料結構 ，它們是 鍵值對 中的 值 ，對於 鍵 來說有一些通用的命令。
2.1. 檢視所有鍵
keys *
下面插入了 3 對字串型別的鍵值對：
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 複製程式碼
命令會將所有的鍵輸出：
127.0.0.1:6379> keys * 1) "python" 2) "java" 3) "hello" 複製程式碼
2.2. 鍵總數
dbsize
下面插入一個 列表型別 的 鍵值對 （值是 多個元素 組成）：
127.0.0.1:6379> rpush mylist a b c d e f g (integer) 7 複製程式碼
dbsize 命令會返回當前資料庫中 鍵的總數 。
127.0.0.1:6379> dbsize (integer) 4 複製程式碼
dbsize 命令在 計算鍵總數 時 不會遍歷 所有鍵，而是直接獲取 Redis 內建的鍵總數變數 ，所以 dbsize 命令的 時間複雜度 是 O（1） 。而 keys 命令會 遍歷 所有鍵，所以它的 時間複雜度 是 O（n） ，當 Redis 儲存了 大量鍵 時，線上環境 禁止 使用。
2.3. 檢查鍵是否存在
exists key
如果鍵存在則返回 1 ，不存在則返回 0 ：
127.0.0.1:6379> exists java (integer) 1 127.0.0.1:6379> exists not_exist_key (integer) 0 複製程式碼
2.4. 刪除鍵
del key
del 是一個 通用命令 ，無論值是什麼 資料結構 型別， del 命令都可以將其 刪除 。
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 複製程式碼
返回結果為 成功刪除 的 鍵的個數 ，假設刪除一個 不存在 的鍵，就會返回 0 。
2.5. 鍵過期
expire key seconds
Redis 支援對 鍵 新增 過期時間 ，當超過過期時間後，會 自動刪除鍵 ，例如為鍵 hello 設定 10 秒過期時間：
127.0.0.1:6379> set hello world OK 127.0.0.1:6379> expire hello 10 (integer) 0 複製程式碼
ttl 命令會返回鍵的 剩餘過期時間 ，它有 3 種返回值：
- 大於等於
0的整數：表示鍵 剩餘 的 過期時間 。 - 返回
-1： 鍵 沒設定 過期時間 。 - 返回
-2： 鍵 不存在。
可以通過 ttl 命令觀察 鍵 hello 的 剩餘過期時間 ：
# 還剩7秒 127.0.0.1:6379> ttl hello(integer) (integer) 7 ... # 還剩1秒 127.0.0.1:6379> ttl hello(integer) (integer) 1 # 返回結果為-2，說明鍵hello已經被刪除 127.0.0.1:6379> ttl hello(integer) (integer) -2 127.0.0.1:6379> get hello (nil) 複製程式碼
2.6. 鍵的資料結構型別
type key
例如鍵 hello 是的值 字串型別 ，返回結果為 string 。鍵 mylist 的值是 列表型別 ，返回結果為 list 。如果鍵不存在，則返回 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 複製程式碼
3. 資料結構和內部編碼
type 命令實際返回的就是當前 鍵 的 資料結構型別 ，它們分別是： string （ 字串 ）、 hash （ 雜湊 ）、 list （ 列表 ）、 set （ 集合 ）、 zset （ 有序集合 ），但這些只是 Redis 對外的 資料結構 。如圖所示：
對於每種 資料結構 ，實際上都有自己底層的 內部編碼 實現，而且是 多種實現 。這樣 Redis 會在合適的 場景 選擇合適的 內部編碼 ，如圖所示：
可以看到，每種 資料結構 都有 兩種以上 的 內部編碼實現 。例如 list 資料結構 包含了 linkedlist 和 ziplist 兩種 內部編碼 。同時有些 內部編碼 ，例如 ziplist ，可以作為 多種外部資料結構 的內部實現，可以通過 object encoding 命令查詢 內部編碼 ：
127.0.0.1:6379> object encoding hello "embstr" 127.0.0.1:6379> object encoding mylist "quicklist" 複製程式碼
可以看到鍵 hello 對應值的 內部編碼 是 embstr ，鍵 mylist 對應值的 內部編碼 是 ziplist 。
Redis 這樣設計有兩個好處：
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其一：可以改進 內部編碼 ，而對外的 資料結構 和 命令 沒有影響。例如
Redis3.2提供的quicklist，結合了ziplist和linkedlist兩者的優勢，為 列表型別 提供了一種 更加高效 的 內部編碼實現 。 -
其二：不同 內部編碼 可以在 不同場景 下發揮各自的 優勢 。例如
ziplist比較 節省記憶體 ，但是在列表 元素比較多 的情況下， 效能 會有所 下降 ，這時候Redis會根據 配置 ，將列表型別的 內部實現 轉換為linkedlist。
4. 單執行緒架構
Redis 使用了 單執行緒架構 和 I/O 多路複用模型 來實現 高效能 的 記憶體資料庫服務 。那為什麼 單執行緒 還能這麼快，下面分析原因：
4.1. 純記憶體訪問
Redis 將所有資料放在 記憶體 中，記憶體的 響應時長 大約為 100 納秒 ，這是 Redis 達到 每秒萬級別 訪問的重要基礎。
4.2. 非阻塞I/O
Redis 使用 epoll 作為 I/O 多路複用技術 的實現，再加上 Redis 自身的 事件處理模型 將 epoll 中的 連線 、 讀寫 、 關閉 都轉換為 事件 ，從而不用不在 網路 I/O 上浪費過多的時間，如圖所示：
4.3. 單執行緒避免執行緒切換和競態產生的消耗
採用 單執行緒 就能達到如此 高的效能 ，那麼不失為一種不錯的選擇，因為 單執行緒 能帶來幾個好處：
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單執行緒可以簡化 資料結構和演算法 的實現，開發人員不需要了解複雜的 併發資料結構 。
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單執行緒避免了 執行緒切換 和 競態 產生的消耗，對於服務端開發來說， 鎖和執行緒切換 通常是效能殺手。
單執行緒的問題：對於 每個命令 的 執行時間 是有要求的。如果某個命令 執行過長 ，會造成其他命令的 阻塞 ，對於 Redis 這種 高效能 的服務來說是致命的，所以 Redis 是面向 快速執行 場景的資料庫。
小結
本文堆 Redis 的幾種 資料結構 進行了概述，介紹了幾個簡單的 全域性命令 ， 資料結構 和 內部編碼 以及 單執行緒命令 處理機制分析。