深入剖析Redis系列：Redis数据结构与全局命令概述

时间：2019-04-24 16:05:28 阅读：145 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

标签：响应简化必须 epoll 执行 2.3 小结没有数据管理

前言

Redis 提供了 5 种数据结构。理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 的单线程命令处理机制，会使数据结构和命令的选择事半功倍。

接下来的几篇文章，将从如下几个方面介绍 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，单线程命令处理机制分析。
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

在介绍 5 种数据结构之前，需要先了解 Redis 的一些全局命令、数据结构和内部编码、单线程命令处理机制。

Redis 的命令有上百个，理解 Redis 的一些机制，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须在特定场景下使用，一旦使用不当可能对 Redis 本身或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，对于键来说有一些通用的命令。

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

命令会将所有的键输出：

127.0.0.1:6379> keys *

1) "python"

2) "java"

3) "hello"

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

dbsize 命令会返回当前数据库中键的总数。

127.0.0.1:6379> dbsize

(integer) 4

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. 检查键是否存在

exists key

如果键存在则返回 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

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

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 支持对键添加过期时间，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

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)

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。如果键不存在，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

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：

image

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"

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，下面分析原因：

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 自身的事件处理模型将 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 上浪费过多的时间，如图所示：