“Redis is an open source (BSD licensed), in-memory data structure store, used as database, cache and message broker.” -- Redis Official Website!

第一次详细的接触Redis是从官网开始的，上述摘自官网：Redis是一个基于BDS许可的开源的内存数据结构存储，用于数据库，缓存和消息代理。

• 从官网上的解释，我们知道：Redis是基于内存的，支持多种数据结构
• 从使用经验来说，我们知道：Redis常用作于缓存

在学习一项技术之前，我们应该问自己几个问题：为什么学习该项技术？使用该技术能为我们解决什么问题呢？。。。只有这样有目标的去学习，我们才能更好的理解所学习的技术的本质，更好的适用于不同的使用场景?！我们先从“内存”、“数据结构”、“缓存”初识Redis。

初识Redis

1. 为什么要使用Redis？

从上面的介绍中，Redis是基于内存的，常用来作为缓存的一种技术，并且Redis是以key-value形式进行存储的。

我们发现上述特性正是Java集合体系中Map容器具备的，直接使用Map不就可以了吗？为什么还要使用Redis呢？

• Java实现的Map结构是本地缓存，如果是集群环境下，每个实例都需要各自保存自己的一份缓存，缓存不具有一致性；
• Java实现的Map用作缓存，JVM内存太大是容易挂掉的。一般使用Map容器来存储临时数据，缓存的数据是随着JVM销毁而结束的。并且Map所存储的数据结构，缓存过期机制等等都需要我们自己实现，成本比较高；
• Redis实现的是分布式缓存，集群环境下，每个实例都共享同一份缓存，缓存具有一致性；除此之外，Redis可以将缓存数据保存在硬盘中，Redis重启了也可以将其恢复。原生提供了丰富的数据结构、缓存过期机制等等功能。

2. 为什么使用缓存？

使用缓存的目的：不用每次读取数据时，都要查一次数据库。提高性能（因为缓存查询速度比数据库查询速度快的多），提高并发能力（因为缓存分担了部分的请求，支持更高的并发）。

最简单Web服务业务图：

Redis基本数据结构

Redis有5种基本数据结构，分别是：string（字符串）、list（列表）、hash（字典）、set（集合）、zset（有序集合），学习这些数据结构是使用Redis的基础。【注意】：Redis是以key-value的形式进行存储的，Redis的key一定是字符串，value可以是string、list、hash、set、zset等这些数据类型。

学习这些基本数据类型之前，进行简单的说明：Redis并没有直接使用这些数据结构来实现key-value数据库，而是基于这些数据结构创建了一个对象系统。即：Redis使用对象来表示数据库中的键和值，每次我们在Redis中创建一个键值对时，至少会创建出两个对象。一个是键对象，一个是值对象。

简单来说就是：key是一个redisObject对象，value也是一个redisObject对象。每个对象都有type、encoding、ptr来表示。

typedef struct redisObject {

    // 类型
    unsigned type:4;

    // 编码
    unsigned encoding:4;

    // 对象最后一次被访问的时间
    unsigned lru:REDIS_LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */

    // 引用计数
    int refcount;

    // 指向实际值的指针
    void *ptr;

} robj;

1. string（字符串）

Redis中的字符串是一种简单动态字符串（Simple Dynamic String，SDS），这意味着使用者可以对其进行修改。Redis底层使用sdshdr结构来表示一个SDS值。【注】：Redis 规定了字符串的长度不得超过 512 MB。

struct sdshdr{

    // 字节数组，用于保存字符串
    char buf[];

    // 记录buf数组中已使用的字节数量，也是字符串的长度
    int len;

    // 记录buf数组未使用的字节数量
    int free;
}

• SDS与C语言中的字符串比较
• 获取字符串的长度时，时间复杂度是O(1)，因为sdshdr数据结构中len属性记录字符串的长度
• SDS不会发生缓存溢出/内存溢出等溢出问题，因为如果修改了SDS，空间不足，会先扩展空间，在进行修改（内部实现了动态扩展机制）
• SDS可以减少内存分配的次数（free属性），实现了空间预分配机制
• SDS是二进制安全的，所有的SDS API都会以处理二进制的方式来处理SDS存放在buf数组中的数据

2. list（列表）

Redis中的列表相当于Java中的LinkedList，list的插入和删除操作非常快，时间复杂度是O(1)，但查询很慢，时间复杂度是O(n)。Redis中列表结构表示如下：

typedef struct list{

    //表头结点
    listNode  *head;

    //表尾节点
    listNode  *tail;

    //链表长度
    unsigned long len;

    //节点值复制函数
    void *(*dup) (viod *ptr);

    //节点值释放函数
    void  (*free) (viod *ptr);

    //节点值对比函数
    int (*match) (void *ptr,void *key);

}list;

typedef strcut listNode{

    //前置节点
    strcut listNode  *pre;

    //后置节点
    strcut listNode  *pre;

    //节点的值
    void  *value;

}listNode;

• Redis列表特性
• list是无环双向链表
• list获取表头指针、表尾指针、列表节点长度时间复杂度都是O(1)
• list使用void *指针来保存节点值，说明可以保存各种不同类型的值

3. hash（字典）

Redis中的hash相当于Java中的HashMap，内部差不多类似，都是通过“数组 + 链表”的链地址法来解决部分hash冲突。

typedef struct dictht{
  
    //存放一个数组的地址，数组中存放哈希节点dictEntry的地址
    dictEntry** table;
    
    //哈希表table的大小，出始大小为4
    unsingned long size;
  
    //用于将hash值映射到table位置的索引，大小为（size-1）
    unsingned long  sizemask;
  
    //记录哈希表已有节点（键值对）的数量
    unsingned long  used;
  
  }dictht;

typedef struct dict{
  
    dictType *type;
  
    //私有数据，保存着dictType结构中函数的 参数
    void *privdata; 
  
    //两张哈希表
    dictht ht[2]; 
  
     //rehash的标记，rehashidx == -1,表示没有进行 rehash
    long rehashidx;
  
    //正在迭代的迭代器数量
    int itreators; 
  
  }dict;

typedef struct dictEntry {

        //键
        void *key;

        //值
        union {
            void *value;
            uint64_tu64;
            int64_ts64;
        }v;    

        //指向下个哈希节点，组成链表
        struct dictEntry *next;

    }dictEntry;

typedef struct dictType{

    //计算哈希值的函数
    unsigned int (*hashFunction)(const void * key);

    //复制键的函数
    void *(*keyDup)(void *private, const void *key);

    //复制值得函数
    void *(*valDup)(void *private, const void *obj);  

    //对比键的函数
    int (*keyCompare)(void *privdata , const void *key1, const void *key2)

    //销毁键的函数
    void (*keyDestructor)(void *private, void *key);

    //销毁值的函数
    void (*valDestructor)(void *private, void *obj);  

}dictType;

从底层源码实现可以看出，Redis中hash内部维护了两个hashtable：

• ht[0]：用于存放真实的key-value数据
• ht[1]：用于扩容（rehash）

【渐进式扩容 rehash】

• Redis采用渐进式扩容的原因
• 数据量过大，一次rehash是相当耗时的，这可能导致服务器一段时间内停止服务

• 渐进式扩容条件
• 正常情况下，当hash表中元素的个数等于ht[0]数组的长度时，就会开始进行扩容操作，扩容的新数组是原数组大小的2倍。
• 如果Redis正在执行bgsave（持久化）操作，为了减少内存过多的分离，Redis尽量不进行扩容，但是如果hash表达到ht[0]数组长度的5倍，此时强制扩容

• Redis渐进式扩容过程
• 在字典中维持一个索引计数器变量rehashidx，并将其设置为0，表示rehash开始；
• 在rehash期间，每次对字典进行增删改查，除了执行指定命令外，还会将ht[0]中rehashidx索引上的值rehash到ht[1]中，操作完成后rehashidx+1；
• 字典操作不断执行，最终在某个时间点，所有的键值对完成rehash，这时将rehashidx设置为-1，表示rehash完成；
• 在渐进式rehash过程中，字典会同时使用两个哈希表ht[0]和ht[1]，所有的更新、删除、查找操作也会在两个哈希表进行。例如要查找一个键的话，服务器会优先查找ht[0]，如果不存在，再查找ht[1]，诸如此类。此外当执行新增操作时，新的键值对一律保存到ht[1]，不再对ht[0]进行任何操作，以保证ht[0]的键值对数量只减不增，直至变为空表。

4. set（集合）

Redis中set相当于Java中的HashSet，内部的键值对是无序、唯一的。它内部实现相当于一个特殊的字典，字典中所有的value都是一个NULL值。所以这里对set不在做详细的介绍。

5. zset（有序集合）

zset是Redis中最具特色的一个数据结构，类似于Java中SortedSet和HashMap的结合体，保证内部value唯一性的同时，也为其赋予了一个score值，用于排序。

Redis中zset内部实现是一个称为 跳跃表 的数据结构，这种数据结构比较复杂，具体关于跳跃表的内容后期会有专门的文章进行详解，这里不在阐述。

写在最后

本文主要简单介绍了一下为什么使用Redis？以及Redis的5种基本数据结构，作为开始Redis学习之旅的开端 ?！通过上述的介绍，不同场景使用不同数据结构作为存储，可以简单总结：

• string：简单的key-value
• list：有序列表（底层是双向链表），可以做简单的队列
• hash：存储结构化数据
• set：无序列表（去重），提供一系列的交集、并集、补集的命令
• zset：可用于排行榜等

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