Redis核心数据结构应用场景与高性能原理刨析

• 1、Redis的数据结构
• • 1.1、String
  • 1.2、Hash
  • 1.3、List
  • 1.4、Set
  • 1.5、ZSet
• 2、Redis高性能原理
• • 2.1、Redis是单线程的吗？
  • 2.2、Redis单线程为什么还能这么快？
  • 2.3、Redis 单线程如何处理那么多的并发客户端连接？
• 3、Redis高级命令
• • 3.1、keys *
  • 3.2、scan渐进式遍历键

后续有两个概念比较模糊，后续需要进行处理

1、Redis的数据结构

Redis有5种数据结构，分别为String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表），Set（集合）、ZSet（有序集合）。

1.1、String

1、单值缓存
set key value
get key

2、对象缓存
2.1、将对象式的value抽象成一个json格式，然后就可以跟单值缓存一样了
set user:1 value
get user:1

2.2、批量操作，一次存多个键值对

命令	含义
mset user:1:name lele user:1:balance 1800	批量操作存储
mget user:1:name user:1:balance	批量操作获取

3、分布式锁

命令	含义
setnx product:100 true	获取当前key的锁，返回1代表取锁成功
setnx product:100 true	获取当前key的锁，返回0代表取锁失败

执行相应的业务操作，加积分什么的

命令	含义
del product:100	删除当前key
set product:100 true ex 10 nx	设置超时时间，默认为秒

这几行命令的意思是多个线程同时对同一商品进行操作，只有第一个才能获取锁成功，获取到锁之后，进行一系列的业务操作，减去相应的库存，并将这个锁释放掉，但为了防止意外，可以设置这个锁的超时时间，单位是秒。

4、计数器

命令	含义
incr article:readcount:{文章id}	给当前key值的积分加1
get article:readcount:{文章id}	获取当前key值的积分

这行命令的意思是每执行一次 incr article:readcount:{文章id} 命令，就会加1，当执行get命令时，就会获取到加的总数，比如我们平时看的微信小文章中的阅读次数就可以用这个做。

5、指定增量计数器
incrby key 100
给对应的key加上100

1.2、Hash

1、常用操作

命令	含义
HSET key field value	存储一个哈希表key的键值
HSETNX key field value	存储一个不存在的哈希表key的键值
HMSET key field value [field value …]	在一个哈希表key中存储多个键值对
HGET key field	获取哈希表key对应的field键值
HMGET key field [field …]	批量获取哈希表key中多个field键值
HDEL key field [field …]	删除哈希表key中的field键值
HLEN key	返回哈希表key中field的数量
HGETALL key	返回哈希表key中所有的键值
HINCRBY key field increment	为哈希表key中field键的值加上增量increment

2、对象缓存

命令	含义
hmset user {userid}:name lele {userid}:balance 100	设置hash对象
hmget user {userid}:name lele {userid}:balance 100	获取hash对象

hmset user 1:name lele 1:balance 100
hmget user 1:name 1:balance

hgetall key
获取全部的值

优缺点：

优点

1、同类数据归类整合储存，方便数据管理。
2、相比string操作消耗内存与cpu更小
3、相比string存储更节省空间

缺点：

1、过期功能不能使用在field上，只能使用在key上
2、redis集群架构下不适合大规模使用

1.3、List

1、常用操作

命令	含义
LPUSH key value [value …]	将一个或多个值value插入到key列表的表头(最左边)
RPUSH key value [value …]	将一个或多个值value插入到key列表的表尾(最右边)
LPOP key	移除并返回key列表的头元素
RPOP key	移除并返回key列表的尾元素
LRANGE key start stop	返回列表key中指定区间内的元素，区间以偏移量start和stop指定
BLPOP key [key …] timeout	从key列表表头弹出一个元素，若列表中没有元素，阻塞等待timeout秒,如果timeout=0,一直阻塞等待
BRPOP key [key …] timeout	从key列表表尾弹出一个元素，若列表中没有元素，阻塞等待timeout秒,如果timeout=0,一直阻塞等待

2、常用数据结构也可以用redis的list轻松实现
Stack(栈) = LPUSH + LPOP
Queue(队列）= LPUSH + RPOP Blocking
MQ(阻塞队列）= LPUSH + BRPOP
这个阻塞队列相当于，我要去里面拿东西，但是现在里面没有了，所以我就执行 BRPOP 让队列阻塞，知道队列中有了，我再执行，可以设置超时时间。

3、案例
平时我们刷的微博或者朋友圈等 ，每次的消息都是发的时间最晚的在最上面，这种用redis也可以实现
比如小明现在关注了 A 和 B ，当前，A 先发了一条消息，随后，B 也发了一条消息，B 发消息的时间比 A 的晚，那么在小明这里的排序应该是 B的消息在上面，A 的消息在下面，这里其实是当有消息时，我们可以用 LPUSH 命令将消息放到队列中，然后使用 LRANGE 命令将需要展示的消息展示出来。但是这里我们就会发现一个问题，每一个人都会有自己的队列，然后通过 LRANGE 命令去操作它，这里之前解决办法有两种方案，一种是push，一种是pull。
push是每发一条消息，会把自己的消息id全部告诉粉丝，然后粉丝存到自己的队列中，这种在一个人有上亿粉丝时就不太适用了，但是有些业务场景可以做成先发给在线粉丝，非在线的后续可以慢慢发。
pull是每发一条消息，然后把这个消息放到一个公共的地方，粉丝们自己去访问然后放到自己的队列中。

1.4、Set

1、Set常用操作

命令	含义
SADD key member [member …]	往集合key中存入元素，元素存在则忽略，若key不存在则新建
SREM key member [member …]	从集合key中删除元素
SMEMBERS key	获取集合key中所有元素
SCARD key	获取集合key的元素个数
SISMEMBER key member	判断member元素是否存在于集合key中
SRANDMEMBER key [count]	从集合key中选出count个元素，元素不从key中删除
SPOP key [count]	从集合key中选出count个元素，元素从key中删除

2、Set运算操作

命令	含义
SINTER key [key …]	交集运算
SINTERSTORE destination key [key …]	将交集结果存入新集合destination中
SUNION key [key …]	并集运算
SUNIONSTORE destination key [key …]	将并集结果存入新集合destination中
SDIFF key [key …]	差集运算
SDIFFSTORE destination key [key …]	将差集结果存入新集合destination中

3、案例
抽奖，比如抽奖是下面这张图

当有一个人点击抽奖时，我们执行 sadd key {userId} 命令去给set集合里面添加一个用户id。
当点击查看所有参与用户的时候，我们可以使用命令 smembers key 去显示出所有的用户。
抽取中奖用户的时候我们可以使用命令 SRANDMEMBER key [count] 或者 SPOP key [count]，
SRANDMEMBER key [count] 命令只适用于抽一次奖的那种，因为筛选完之后，筛选出的用户还在set集合中；
SPOP key [count] 命令适合于多次抽奖，比如一、二、三等奖，因为筛选完之后，筛选到的用户会被移除set集合。

关注模型

me关注的人：{A1,A2,A4,A6,A8}
A1关注的人：{A2,A3,A4}
A2关注的人：{A1,A4,A5,A6}
A3关注的人：{A6,A7,A8}
A4关注的人：{A2,A5}

me和A2的共同关注：{A1,A4,A6}
A1关注的人也关注着A2：{A4} --也就是看A1关注的每一个人的关注列表中有没有A2
命令如下图：

1.5、ZSet

1、Set常用操作

命令	含义
ZADD key score member [[score member]…]	往有序集合key中加入带分值元素
ZREM key member [member …]	从有序集合key中删除元素
ZSCORE key member	返回有序集合key中元素member的分值
ZINCRBY key increment member	为有序集合key中元素member的分值加上increment
ZCARD key	返回有序集合key中元素个数
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]	正序获取有序集合key从start下标到stop下标的元素
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]	倒序获取有序集合key从start下标到stop下标的元素

2、Zset集合操作

命令	含义
ZUNIONSTORE destkey numkeys key [key …]	并集计算
ZINTERSTORE destkey numkeys key [key …]	交集计算

3、案例

这个微博热搜相信我们也是经常见到的，他们上面的排行以及阅读量都可以用redis来实现。
1、可以通过ZINCRBY key increment member命令给文章加上分值，也就是打开了多少次，默认是1。

2、获取当天的排行可以用倒叙排序展示的命令
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]
[WITHSCORES] 这个的意思是加上分值
我这里是乱码，能说明意思就好

3、如果要展示七天的总和，我们可以求并集再排序
zunionstore hotNews:20180813-20180819 7 hotNews:20180813 hotNews:20180814 hotNews:20180815 hotNews:20180816 hotNews:20180817 hotNews:20180818 hotNews:20180819
这行命令的意思是对7个key求并集并存储到 hotNews:20180813-20180819 key中

2、Redis高性能原理

2.1、Redis是单线程的吗？

其实严格意义上来说，Redis不是单线程的，比如Redis的持久化、异步删除、集群数据这些都是由额外的线程来完成的。
我们平时说的Redis单线程其实是是指从其它端发送给Redis的IO操作都是由一个线程来完成的，外部访问Redis时，Redis会将这些命令排好序，然后一个一个执行。

2.2、Redis单线程为什么还能这么快？

因为Redis的操作是在内存上的，所有的操作都是内存级别的，而且单线程也避免了多线程之间的线程切换损耗，但是在操作时一定要注意，尤其是bigKey，一旦操作失误就会造成Redis卡顿。

2.3、Redis 单线程如何处理那么多的并发客户端连接？

Redis的IO多路复用：redis利用epoll来实现IO多路复用，将连接信息和事件放到队列中，依次放到文件事件分派器，事件分派器将事件分发给事件处理器。
这块这个概念还是有点模糊，后续进行深层次的学习可能会有其它博客解释

3、Redis高级命令

3.1、keys *

遍历全库，效率比较低，可支持通配符，如下图所示：

3.2、scan渐进式遍历键

SCAN cursor [MATCH pattern] [COUNT count] scan 参数提供了三个参数，第一个是 cursor 整数值(hash桶的索引值)，第二个是 key 的正则模式， 第三个是一次遍历的key的数量(参考值，底层遍历的数量不一定)，并不是符合条件的结果数量。第 一次遍历时，cursor 值为0，然后将返回结果中第一个整数值作为下一次遍历的 cursor。一直遍历 到返回的 cursor 值为 0 时结束。
注意：但是scan并非完美无瑕， 如果在scan的过程中如果有键的变化（增加、 删除、 修改） ，那 么遍历效果可能会碰到如下问题：
新增的键可能没有遍历到， 遍历出了重复的键等情况（有可能在遍历期间又插入新数据，产生了rehash()）， 也就是说 scan并不能保证完整的遍历出来所有的键， 这些是我们在开发时需要考虑的。
这块这个概念还是有点模糊，后续进行深层次的学习可能会有其它博客解释
代码示例如下：

从图中就可以看出，每一次的结果不一定都是固定的，每一次返回的数字都是下一次扫描的起点游标，直到返回0结束。