分布式架构Redis中有哪些数据结构及底层实现原理

分布式架构Redis中有哪些数据结构及底层实现原理

Redis支持的数据结构包括：字符串（String）、哈希表（Hash）、列表（List）、集合（Set）和有序集合（Sorted Set）。

1. 字符串（String）

字符串是Redis最基础的数据类型，与Java中的String类似，适用于存储任意二进制数据，可以存储字符串、数字、二进制数据等类型的数据。

底层实现原理：在Redis内部，每个键值对都是使用一个结构体RedisObject来表示的。字符串类型的RedisObject结构体，主要包含三个成员变量：type、encoding和ptr。其中，type表示这个RedisObject是什么类型的，encoding表示这个RedisObject所存储的字符串类型的编码方式，而ptr则指向实际存储字符串的内存地址。Redis支持多种不同的编码方式来表示同一个字符串，比如int、embstr和raw三种编码方式，Redis会根据字符串的长度和字符集等信息来自动选取最优的编码方式。当存储的字符串较小且没有特殊字符时，Redis会使用embstr编码方式将该字符串存放在RedisObject结构体的内存空间中，否则将使用raw编码方式来进行存储。

示例1：

# 存储字符串类型的数据
set str_key "hello world"
# 获取字符串类型的数据
get str_key

1. 哈希表（Hash）

哈希表用于存储键值对的集合，其中键和值都是字符串类型的数据。哈希表相比于字符串类型的数据，更适用于存储结构化数据，比如用户信息、商品信息等。

底层实现原理：哈希表的底层实现使用了Array+Link的方式。首先，在RedisObject中，哈希表类型的RedisObject结构体主要包含三个成员变量：type、encoding和ptr。其中，ptr指向一个HashTable结构体，这个结构体中有一个buckets数组用于存放哈希表的节点，每个表节点用于存放一个键值对。一个哈希表中会有多个buckets，每个buckets包含一个链表，相同的哈希值会存储在同一个链表中。当哈希表的负载因子达到一定阈值时需要进行扩容，在扩容时会创建一个新的buckets数组，将原来的链表中的节点重新分配到新的buckets数组中。

示例2：

# 存储哈希表类型的数据
hmset user_info id 1 name "Alice" age 30
# 获取哈希表类型的数据
hgetall user_info

1. 列表（List）

列表是一种简单的动态数据结构，可以支持在头部或尾部进行插入或删除操作，适用于存储一组有序的数据。

底层实现原理：列表的底层实现使用了双向链表的方式。Redis中每个列表使用RedisObject结构体来进行存储，其中，列表类型的RedisObject结构体中主要包含三个成员变量：type、encoding和ptr。encoding表示元素的编码方式，ptr指向一个List结构体，这个结构体中包含一个字典用于存放键值对，以及一个head指针和一个tail指针，分别指向这个双向链表的头节点和尾节点。

示例3：

# 存储列表类型的数据
lpush fruits "apple" "banana" "orange"
# 获取列表类型的数据
lrange fruits 0 -1

1. 集合（Set）

集合是一种无序的、唯一的数据结构，可以支持添加、删除和求交、并、差等操作。

底层实现原理：集合的底层实现使用了hashtable和dict两种数据结构。Redis中每个集合使用RedisObject结构体来进行存储，其中集合类型的RedisObject结构体主要包含三个成员变量：type、encoding和ptr。encoding表示元素的编码方式，ptr指向一个Set结构体，这个结构体中包含一个dict字典用于存放元素，集合中每个元素都是dict字典中的一个key，value则为空。

示例4：

# 存储集合类型的数据
sadd cities "beijing" "shanghai" "guangzhou"
# 获取集合类型的数据
smembers cities

1. 有序集合（Sorted Set）

有序集合是一种有序的、唯一的数据结构，每个元素都与一个浮点数score值进行关联，可以支持按照score进行范围查找、获取指定元素等操作。

底层实现原理：有序集合的底层实现使用了跳表（SkipList）和dict两种数据结构。Redis中每个有序集合使用RedisObject结构体来进行存储，其中，有序集合类型的RedisObject结构体主要包含三个成员变量：type、encoding和ptr。encoding表示元素的编码方式，ptr指向一个ZSet结构体，这个结构体中包含一个dict字典用于存放元素，元素的value是dict字典中的一个key，score则作为这个key对应的value的值进行存储。

示例5：

# 存储有序集合类型的数据
zadd player_scores 90 "Alice" 80 "Bob" 70 "Charlie"
# 获取有序集合类型的数据
zrange player_scores 0 -1 withscores

总的来说，Redis的优异性能和高可用性使其成为当今最流行的分布式缓存方案，对于开发者而言，必须深刻理解其内部数据结构及底层实现原理，才能更好地开发出高效稳定的Redis应用程序。