深入学习Redis(二),基本类型【String】剖析

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今天我们来介绍Redis的基本数据类型


总体来说:String、Hash、Set、List、Zset、Hyperloglog、Geo、Stream

常用的数据类型:

最基本最常用的数据类型就是String。set 和 get 命令就是 String 的操作命令。

1、 String字符串

可以用来存储字符串,整数,浮点数。

1.1、 基本操作

设置多个值(批量操作,原子性)

设置值,如何Key存在,设置不成功

基于此可实现分布式锁。 用 del key 释放锁。

但如果释放锁的操作失败了, 导致其他节点永远获取不到锁, 怎么办?

加过期时间。 单独用 expire 加过期, 也失败了, 无法保证原子性, 怎么办? 多参数。

set key value [expiration EX seconds|PX milliseconds][NX|XX]

(整数) 值递增

(整数) 值递减

浮点数增量

获取多个值

获取值长度

字符串追加内容

获取指定范围的字符

1.2、 存储实现原理

数据模型

set name javaHuang为例,因为 Redis 是 KV 的数据库,它是通过 hashtable 实现的(我

们把这个叫做外层的哈希)。所以每个键值对都会有一个 dictEntry,里面指向了 key 和 value 的指针。next 指向下一个 dictEntry。源码如下:

typedef struct dictEntry {
void *key; /* key 关键字定义 */
union {
void *val; uint64_t u64; /* value 定义 */
int64_t s64; double d;
} v;
struct dictEntry *next; /* 指向下一个键值对节点 */
} dictEntry;

key 是字符串,但是 Redis 没有直接使用 C 的字符数组,而是存储在自定义的 SDS

中。

value 既不是直接作为字符串存储,也不是直接存储在 SDS 中,而是存储在

redisObject 中。实际上五种常用的数据类型的任何一种,都是通过 redisObject 来存储

的。

redisObject

redisObject 的定义的源码如下:

typedef struct redisObject {
unsigned type:4; /* 对象的类型, 包括: OBJ_STRING、 OBJ_LIST、 OBJ_HASH、 OBJ_SET、 OBJ_ZSET */
unsigned encoding:4; /* 具体的数据结构 */
unsigned lru:LRU_BITS; /* 24 位, 对象最后一次被命令程序访问的时间, 与内存回收有关 */
int refcount; /* 引用计数。 当 refcount 为 0 的时候, 表示该对象已经不被任何对象引用, 则可以进行垃圾回收了
*/
void *ptr; /* 指向对象实际的数据结构 */
} robj;

可以使用 type 命令来查看对外的类型。

下面我来设置三种Key

然后我们获取这三种Key的内部编码

于是我们可知,字符串类型的内部编码有三种:

1、int,存储 8 个字节的长整型(long,2^63-1)。

2、embstr, 代表 embstr 格式的 SDS(Simple Dynamic String 简单动态字符串),

存储小于 44 个字节的字符串。

3、raw,存储大于 44 个字节的字符串(3.2 版本之前是 39 字节)。

/* object.c */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44

2、接下来我们一起来探讨几个问题

2.1、什么是SDS

SDS是Redis 中字符串的实现。

在 3.2 以后的版本中,SDS 又有多种结构(sds.h):sdshdr5、sdshdr8、sdshdr16、

sdshdr32、sdshdr64,用于存储不同的长度的字符串,分别代表 2^5=32byte,

2^8=256byte,2^16=65536byte=64KB,2^32byte=4GB。

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
  uint8_t len; /* 当前字符数组的长度 */
  uint8_t alloc; /*当前字符数组总共分配的内存大小 */
  unsigned char flags; /* 当前字符数组的属性、 用来标识到底是 sdshdr8 还是 sdshdr16 等 */
  char buf[]; /* 字符串真正的值 */
};

2.2、为什么 Redis 要用 SDS 实现字符串?

我们知道,C 语言本身没有字符串类型(只能用字符数组 char[]实现)。

1、使用字符数组必须先给目标变量分配足够的空间,否则可能会溢出。

2、如果要获取字符长度,必须遍历字符数组,时间复杂度是 O(n)。

3、C 字符串长度的变更会对字符数组做内存重分配。

4、通过从字符串开始到结尾碰到的第一个'\0'来标记字符串的结束,因此不能保存图片、音频、视频、压缩文件等二进制(bytes)保存的内容,二进制不安全。

SDS 的特点:

1、不用担心内存溢出问题,如果需要会对 SDS 进行扩容。

2、获取字符串长度时间复杂度为 O(1),因为定义了 len 属性。

3、通过“空间预分配”( sdsMakeRoomFor)和“惰性空间释放”,防止多次重分配内存。

4、判断是否结束的标志是 len 属性(它同样以'\0'结尾是因为这样就可以使用 C 语言中函数库操作字符串的函数了),可以包含'\0'。

2.3、embstr 和 raw 的区别

embstr 的使用只分配一次内存空间(因为 RedisObject 和 SDS 是连续的),而 raw需要分配两次内存空间(分别为 RedisObject 和 SDS 分配空间)。

因此与 raw 相比,embstr 的好处在于创建时少分配一次空间,删除时少释放一次空间,以及对象的所有数据连在一起,寻找方便。

而 embstr 的坏处也很明显,如果字符串的长度增加需要重新分配内存时,整个RedisObject 和 SDS 都需要重新分配空间,因此 Redis 中的 embstr 实现为只读。

2.4、int 和 embstr 什么时候转化为 raw

当 int 数 据 不 再 是 整 数 , 或 大 小 超 过 了 long 的 范 围(2^63-1=9223372036854775807)时,自动转化为 embstr。

2.5、明明没有超过阈值,为什么变成 raw 了

对于 embstr,由于其实现是只读的,因此在对 embstr 对象进行修改时,都会先转化为 raw 再进行修改。

因此,只要是修改 embstr 对象,修改后的对象一定是 raw 的,无论是否达到了 44个字节。

2.6、当长度小于阈值时,会还原吗

关于 Redis 内部编码的转换,都符合以下规律:编码转换在 Redis 写入数据时完成,且转换过程不可逆,只能从小内存编码向大内存编码转换(但是不包括重新 set)。

2.7、为什么要对底层的数据结构进行一层包装呢

通过封装,可以根据对象的类型动态地选择存储结构和可以使用的命令,实现节省空间和优化查询速度。

3、应用场景

缓存

String 类型

例如:热点数据缓存,对象缓存,全页缓存。可以提升热点数据的访问速度。

数据共享分布式

STRING 类型,因为 Redis 是分布式的独立服务,可以在多个应用之间共享,例如:分布式 Session

<dependency>
    <groupId>org.springframework.session</groupId>
    <artifactId>spring-session-data-redis</artifactId>
</dependency>

分布式锁

STRING 类型 setnx 方法,只有不存在时才能添加成功,返回 true。

简单代码如下:

public Boolean getLock(Object lockObject){
    jedisUtil = getJedisConnetion();
    boolean flag = jedisUtil.setNX(lockObj, 1);
    if(flag){
        expire(locakObj,10);
    }
    return flag;
}
​public void releaseLock(Object lockObject){
    del(lockObj);
}

全局 ID

INT 类型,INCRBY,利用原子性

incrby userid 1000

计数器

INT 类型,INCR 方法

例如:文章的阅读量,微博点赞数,允许一定的延迟,先写入 Redis 再定时同步到数据库。

限流

INT 类型,INCR 方法

以访问者的 IP 和其他信息作为 key,访问一次增加一次计数,超过次数则返回 false。

位统计

String 类型的 BITCOUNT(1.6.6 的 bitmap 数据结构介绍)。

字符是以 8 位二进制存储的。

set k1 a
setbit k1 6 1
setbit k1 7 0
get k1

a 对应的 ASCII 码是 97,转换为二进制数据是 01100001

b 对应的 ASCII 码是 98,转换为二进制数据是 01100010

因为 bit 非常节省空间(1 MB=8388608 bit),可以用来做大数据量的统计。

例如:在线用户统计,留存用户统计

setbit onlineusers 0 1
setbit onlineusers 1 1
setbit onlineusers 2 0

支持按位与、按位或等等操作。

BITOP AND destkey key [key ...] , 对一个或多个 key 求逻辑并, 并将结果保存到 destkey 。
BITOP OR destkey key [key ...] , 对一个或多个 key 求逻辑或, 并将结果保存到 destkey 。
BITOP XOR destkey key [key ...] , 对一个或多个 key 求逻辑异或, 并将结果保存到 destkey 。
BITOP NOT destkey key , 对给定 key 求逻辑非, 并将结果保存到 destkey 。

例子:计算出 7 天都在线的用户

BITOP "AND" "7_days_both_online_users" "day_1_online_users" "day_2_online_users" ... "day_7_online_users"

基本数据类型String基本算是分析透了,接下来还有几个常用的基本类型的深入探讨,敬请期待。

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阅读 171更新于 10月22日
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