目錄
- 一、簡(jiǎn)介
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二、string(字符串)
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1、string(字符串)相關(guān)介紹
- 1.1 string(字符串)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
- 1.2 string(字符串)的擴(kuò)容
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2、string(字符串)的指令
- 2.1 單個(gè)鍵值對(duì)增刪改查操作
- 2.2 批量鍵值對(duì)
- 2.3 過(guò)期set命令
- 2.4 不存在創(chuàng)建存在不更新
- 2.5計(jì)數(shù)
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1、string(字符串)相關(guān)介紹
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三、list(列表)
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1、list(列表)相關(guān)介紹
- 1.1 list(列表)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
- 1.2 list(列表)的使用場(chǎng)景
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2、list(列表)的指令
- 2.1 右進(jìn)左出—隊(duì)列
- 2.2 右進(jìn)右出——棧
- 2.3 慢操作
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3、list(列表)深入理解
- 3.1 常見的鏈表結(jié)構(gòu)示意圖
- 3.2 ziplist示意圖
- 3.3 quicklist示意圖
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1、list(列表)相關(guān)介紹
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四、hash(字典)?
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1、hash(字典)相關(guān)介紹
- 1.1 hash(字典)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
- 1.2 hash(字典)擴(kuò)容
- 1.3 hash(字典)的相關(guān)使用場(chǎng)景
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2 hash(字典)相關(guān)指令
- 2.1 hash(字典)常用指令
- 2.2 hash(字典)使用小技巧
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1、hash(字典)相關(guān)介紹
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五、set(集合)
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1、set(集合)相關(guān)介紹
- 1.1 set(集合)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
- 1.2 set(集合)的使用場(chǎng)景
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2、set(集合)相關(guān)指令
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1、set(集合)相關(guān)介紹
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六、zset(有序集合)
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1、zset(有序集合)相關(guān)介紹
- 1.1 zset(有序集合)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
- 1.2 zset(有序集合)的相關(guān)使用場(chǎng)景
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2、zset(有序集合)相關(guān)指令
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1、zset(有序集合)相關(guān)介紹
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七、Skip List
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1、簡(jiǎn)介
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2、Skip List算法分析
- 2.1 Skip List論文
- 2.2 Skip List動(dòng)態(tài)圖
- 2.3 Skip List算法性能分析
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3、Skip List特性及其實(shí)現(xiàn)
- 2.1 Skip List特性
- 2.2 Skip List查詢
- 2.3 Skip List插入
- 2.4 Skip List刪除
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4、手寫實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單Skip List
- 3.1 定義Node節(jié)點(diǎn)
- 3.2 SkipList節(jié)點(diǎn)元素的操作類
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1、簡(jiǎn)介
一、簡(jiǎn)介
Redis中所有的的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是通過(guò)一個(gè)唯一的字符串key來(lái)獲取相應(yīng)的value數(shù)據(jù)。
Redis有5種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),分別是:
- string(字符串)
- list(列表)
- hash(字典)
- set(集合)
- zset(有序集合)
其中l(wèi)ist、set、hash、zset這四種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是容器型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它們共享下面兩條通用規(guī)則:
- create if not exists:容器不存在則創(chuàng)建
- drop if no elements:如果容器中沒(méi)有元素,則立即刪除容器,釋放內(nèi)存
本文將詳細(xì)講述的是Redis的5種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
二、string(字符串)
1、string(字符串)相關(guān)介紹
1.1 string(字符串)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
string(字符串)是Redis最簡(jiǎn)單也是使用最廣泛的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它的內(nèi)部是一個(gè)字符數(shù)組。如圖所示:
Redis中string
(字符串)是動(dòng)態(tài)字符串,允許修改;它在結(jié)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)類似于Java中的ArrayList
(默認(rèn)構(gòu)造一個(gè)大小為10的初始數(shù)組),這是冗余分配內(nèi)存的思想,也稱為預(yù)分配;這種思想可以減少擴(kuò)容帶來(lái)的性能消耗。
1.2 string(字符串)的擴(kuò)容
當(dāng)string(字符串)的大小達(dá)到擴(kuò)容閾值時(shí),將會(huì)對(duì)string
(字符串)進(jìn)行擴(kuò)容,string(字符串)的擴(kuò)容主要有以下幾個(gè)點(diǎn):
- 長(zhǎng)度小于1MB,擴(kuò)容后為原先的兩倍; length = length * 2
- 長(zhǎng)度大于1MB,擴(kuò)容后增加1MB; length = length + 1MB
- 字符串的長(zhǎng)度最大值為 512MB
2、string(字符串)的指令
2.1 單個(gè)鍵值對(duì)增刪改查操作
set -> key 不存在則新增,存在則修改
set key value
get -> 查詢,返回對(duì)應(yīng)key的value,不存在返回(nil)
get key
del -> 刪除指定的key(key可以是多個(gè))
del key [key …]
示例:
1127.0.0.1:6379> set name liziba 2OK 3127.0.0.1:6379> get name 4"liziba" 5127.0.0.1:6379> set name liziba001 6OK 7127.0.0.1:6379> get name 8"liziba001" 9127.0.0.1:6379> del name 10(integer) 1 11127.0.0.1:6379> get name 12(nil)
2.2 批量鍵值對(duì)
批量鍵值讀取和寫入最大的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷
mset -> 批量插入
mset key value [key value …]
mget -> 批量獲取
mget key [key …]
示例:
1127.0.0.1:6379> mset name1 liziba1 name2 liziba2 name3 liziba3 2OK 3127.0.0.1:6379> mget name1 name2 name3 41) "liziba1" 52) "liziba2" 63) "liziba3"
2.3 過(guò)期set命令
過(guò)期set是通過(guò)設(shè)置一個(gè)緩存key的過(guò)期時(shí)間,使得緩存到期后自動(dòng)刪除從而失效的機(jī)制。
?
方式一:
expire key seconds
示例:
1127.0.0.1:6379> set name liziba 2OK 3127.0.0.1:6379> get name 4"liziba" 5127.0.0.1:6379> expire name 10 # 10s 后get name 返回 nil 6(integer) 1 7127.0.0.1:6379> get name 8(nil)
方式二:
setex key seconds value
示例:
1127.0.0.1:6379> setex name 10 liziba # 10s 后get name 返回 nil 2OK 3127.0.0.1:6379> get name 4(nil)
2.4 不存在創(chuàng)建存在不更新
上面的set操作不存在創(chuàng)建,存在則更新;此時(shí)如果需要存在不更新的場(chǎng)景,那么可以使用如下這個(gè)指令
?
setnx -> 不存在創(chuàng)建存在不更新
setnx key value
示例:
1127.0.0.1:6379> get name 2(nil) 3127.0.0.1:6379> setnx name liziba 4(integer) 1 5127.0.0.1:6379> get name 6"liziba" 7127.0.0.1:6379> setnx name liziba_98 # 已經(jīng)存在再次設(shè)值,失敗 8(integer) 0 9127.0.0.1:6379> get name 10"liziba"
2.5計(jì)數(shù)
string(字符串)也可以用來(lái)計(jì)數(shù),前提是value是一個(gè)整數(shù),那么可以對(duì)它進(jìn)行自增的操作。自增的范圍必須在signed long的區(qū)間訪問(wèn)內(nèi),[-9223372036854775808,9223372036854775808]
incr -> 自增1
incr key
示例:
1127.0.0.1:6379> set fans 1000 2OK 3127.0.0.1:6379> incr fans # 自增1 4(integer) 1001
incrby -> 自定義累加值
1127.0.0.1:6379> set fans 1000 2OK 3127.0.0.1:6379> incr fans 4(integer) 1001 5127.0.0.1:6379> incrby fans 999 6(integer) 2000
測(cè)試value為整數(shù)的自增區(qū)間
最大值:
1127.0.0.1:6379> set fans 9223372036854775808 2OK 3127.0.0.1:6379> incr fans 4(error) ERR value is not an integer or out of range
最小值:
1127.0.0.1:6379> set money -9223372036854775808 2OK 3127.0.0.1:6379> incrby money -1 4(error) ERR increment or decrement would overflow
三、list(列表)
1、list(列表)相關(guān)介紹
1.1 list(列表)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
Redis的列表相當(dāng)于Java語(yǔ)言中的LinkedList,它是一個(gè)雙向鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(但是這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較巧妙,后面會(huì)介紹),支持前后順序遍歷。鏈表結(jié)構(gòu)插入和刪除操作快,時(shí)間復(fù)雜度O(1),查詢慢,時(shí)間復(fù)雜度O(n)。
1.2 list(列表)的使用場(chǎng)景
根據(jù)Redis雙向列表的特性,因此其也被用于異步隊(duì)列的使用。實(shí)際開發(fā)中將需要延后處理的任務(wù)結(jié)構(gòu)體序列化成字符串,放入Redis的隊(duì)列中,另一個(gè)線程從這個(gè)列表中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。其流程類似如下的圖:
?
2、list(列表)的指令
2.1 右進(jìn)左出—隊(duì)列
隊(duì)列在結(jié)構(gòu)上是先進(jìn)先出(FIFO)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(比如排隊(duì)購(gòu)票的順序),常用于消息隊(duì)列類似的功能,例如消息排隊(duì)、異步處理等場(chǎng)景。通過(guò)它可以確保元素的訪問(wèn)順序。
lpush -> 從左邊邊添加元素
lpush key value [value …]
rpush -> 從右邊添加元素
rpush key value [value …]
llen -> 獲取列表的長(zhǎng)度
llen key
lpop -> 從左邊彈出元素
lpop key
1127.0.0.1:6379> rpush code java c python # 向列表中添加元素 2(integer) 3 3127.0.0.1:6379> llen code # 獲取列表長(zhǎng)度 4(integer) 3 5127.0.0.1:6379> lpop code # 彈出最先添加的元素 6"java" 7127.0.0.1:6379> lpop code 8"c" 9127.0.0.1:6379> lpop code 10"python" 11127.0.0.1:6379> llen code 12(integer) 0 13127.0.0.1:6379> lpop code 14(nil)
2.2 右進(jìn)右出——棧
棧在結(jié)構(gòu)上是先進(jìn)后出(FILO)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(比如彈夾壓入子彈,子彈被射擊出去的順序就是棧),這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般用來(lái)逆序輸出。
lpush -> 從左邊邊添加元素
lpush key value [value …]
rpush -> 從右邊添加元素
rpush key value [value …]
rpop -> 從右邊彈出元素
rpop code
1127.0.0.1:6379> rpush code java c python 2(integer) 3 3127.0.0.1:6379> rpop code # 彈出最后添加的元素 4"python" 5127.0.0.1:6379> rpop code 6"c" 7127.0.0.1:6379> rpop code 8"java" 9127.0.0.1:6379> rpop code 10(nil)
2.3 慢操作
列表(list)是個(gè)鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它的遍歷是慢操作,所以涉及到遍歷的性能將會(huì)遍歷區(qū)間range的增大而增大。注意list的索引運(yùn)行為負(fù)數(shù),-1代表倒數(shù)第一個(gè),-2代表倒數(shù)第二個(gè),其它同理。
lindex -> 遍歷獲取列表指定索引處的值
lindex key ind
lrange -> 獲取從索引start到stop處的全部值
lrange key start stop
ltrim -> 截取索引start到stop處的全部值,其它將會(huì)被刪除
ltrim key start stop
1127.0.0.1:6379> rpush code java c python 2(integer) 3 3127.0.0.1:6379> lindex code 0 # 獲取索引為0的數(shù)據(jù) 4"java" 5127.0.0.1:6379> lindex code 1 # 獲取索引為1的數(shù)據(jù) 6"c" 7127.0.0.1:6379> lindex code 2 # 獲取索引為2的數(shù)據(jù) 8"python" 9127.0.0.1:6379> lrange code 0 -1 # 獲取全部 0 到倒數(shù)第一個(gè)數(shù)據(jù) == 獲取全部數(shù)據(jù) 101) "java" 112) "c" 123) "python" 13127.0.0.1:6379> ltrim code 0 -1 # 截取并保理 0 到 -1 的數(shù)據(jù) == 保理全部 14OK 15127.0.0.1:6379> lrange code 0 -1 161) "java" 172) "c" 183) "python" 19127.0.0.1:6379> ltrim code 1 -1 # 截取并保理 1 到 -1 的數(shù)據(jù) == 移除了索引為0的數(shù)據(jù) java 20OK 21127.0.0.1:6379> lrange code 0 -1 221) "c" 232) "python"
3、list(列表)深入理解
Redis底層存儲(chǔ)list(列表)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的LinkedList,而是quicklist ——“快速列表”。關(guān)于quicklist是什么,下面會(huì)簡(jiǎn)單介紹,具體源碼我也還在學(xué)習(xí)中,后面大家一起探討。
quicklist是多個(gè)ziplist(壓縮列表)組成的雙向列表;而這個(gè)ziplist(壓縮列表)又是什么呢?ziplist指的是一塊連續(xù)的內(nèi)存存儲(chǔ)空間,Redis底層對(duì)于list(列表)的存儲(chǔ),當(dāng)元素個(gè)數(shù)少的時(shí)候,它會(huì)使用一塊連續(xù)的內(nèi)存空間來(lái)存儲(chǔ),這樣可以減少每個(gè)元素增加prev和next指針帶來(lái)的內(nèi)存消耗,最重要的是可以減少內(nèi)存碎片化問(wèn)題。
?
3.1 常見的鏈表結(jié)構(gòu)示意圖
每個(gè)node節(jié)點(diǎn)元素,都會(huì)持有一個(gè)prev->執(zhí)行前一個(gè)node節(jié)點(diǎn)和next->指向后一個(gè)node節(jié)點(diǎn)的指針(引用),這種結(jié)構(gòu)雖然支持前后順序遍歷,但是也帶來(lái)了不小的內(nèi)存開銷,如果node節(jié)點(diǎn)僅僅是一個(gè)int類型的值,那么可想而知,引用的內(nèi)存比例將會(huì)更大。
3.2 ziplist示意圖
ziplist是一塊連續(xù)的內(nèi)存地址,他們之間無(wú)需持有prev和next指針,能通過(guò)地址順序?qū)ぶ吩L問(wèn)。
3.3 quicklist示意圖
quicklist是由多個(gè)ziplist組成的雙向鏈表。
四、hash(字典)?
1、hash(字典)相關(guān)介紹
1.1 hash(字典)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
Redis的hash(字典)相當(dāng)于Java語(yǔ)言中的HashMap,它是根據(jù)散列值分布的無(wú)序字典,內(nèi)部的元素是通過(guò)鍵值對(duì)的方式存儲(chǔ)。
hash(字典)的實(shí)現(xiàn)與Java中的HashMap(JDK1.7)的結(jié)構(gòu)也是一致的,它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是數(shù)組+鏈表組成的二維結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)元素散列在數(shù)組上,如果發(fā)生hash碰撞則使用鏈表串聯(lián)在數(shù)組節(jié)點(diǎn)上。
1.2 hash(字典)擴(kuò)容
Redis中的hash(字典)存儲(chǔ)的value只能是字符串值,此外擴(kuò)容與Java中的HashMap也不同。Java中的HashMap在擴(kuò)容的時(shí)候是一次性完成的,而Redis考慮到其核心存取是單線程的性能問(wèn)題,為了追求高性能,因而采取了漸進(jìn)式rehash策略。
漸進(jìn)式rehash指的是并非一次性完成,它是多次完成的,因此需要保理舊的hash結(jié)構(gòu),所以Redis中的hash(字典)會(huì)存在新舊兩個(gè)hash結(jié)構(gòu),在rehash結(jié)束后也就是舊hash的值全部搬遷到新hash之后,新的hash在功能上才會(huì)完全替代以前的hash。
1.3 hash(字典)的相關(guān)使用場(chǎng)景
hash(字典)可以用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象的相關(guān)信息,一個(gè)hash(字典)代表一個(gè)對(duì)象,hash的一個(gè)key代表對(duì)象的一個(gè)屬性,key的值代表屬性的值。hash(字典)結(jié)構(gòu)相比字符串來(lái)說(shuō),它無(wú)需將整個(gè)對(duì)象進(jìn)行序列化后進(jìn)行存儲(chǔ)。這樣在獲取的時(shí)候可以進(jìn)行部分獲取。所以相比之下hash(字典)具有如下的優(yōu)缺點(diǎn):
- 讀取可以部分讀取,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量
- 存儲(chǔ)消耗的高于單個(gè)字符串的存儲(chǔ)
2 hash(字典)相關(guān)指令
2.1 hash(字典)常用指令
hset -> hash(字典)插入值,字典不存在則創(chuàng)建 key代表字典名稱,field 相當(dāng)于 key,value是key的值
hset key field value
hmset -> 批量設(shè)值
hmset key field value [field value …]
示例:
17.0.0.1:6379> hset book java "Thinking in Java" # 字符串包含空格需要""包裹 2(integer) 1 3127.0.0.1:6379> hset book python "Python code" 4(integer) 1 5127.0.0.1:6379> hset book c "The best of c" 6(integer) 1 7127.0.0.1:6379> hmset book go "concurrency in go" mysql "high-performance MySQL" # 批量設(shè)值 8OK
hget -> 獲取字典中的指定key的value
hget key field
hgetall -> 獲取字典中所有的key和value,換行輸出
hgetall key
示例:
1127.0.0.1:6379> hget book java 2"Thinking in Java" 3127.0.0.1:6379> hgetall book 41) "java" 52) "Thinking in Java" 63) "python" 74) "Python code" 85) "c" 96) "The best of c"
hlen -> 獲取指定字典的key的個(gè)數(shù)
hlen key
舉例:
1127.0.0.1:6379> hlen book 2(integer) 5
2.2 hash(字典)使用小技巧
在string(字符串)中可以使用incr和incrby對(duì)value是整數(shù)的字符串進(jìn)行自加操作,在hash(字典)結(jié)構(gòu)中如果單個(gè)子key是整數(shù)也可以進(jìn)行自加操作。
hincrby -> 增對(duì)hash(字典)中的某個(gè)key的整數(shù)value進(jìn)行自加操作
hincrby key field increment
1127.0.0.1:6379> hset liziba money 10 2(integer) 1 3127.0.0.1:6379> hincrby liziba money -1 4(integer) 9 5127.0.0.1:6379> hget liziba money 6"9"
注意如果不是整數(shù)會(huì)報(bào)錯(cuò)。
1127.0.0.1:6379> hset liziba money 10.1 2(integer) 1 3127.0.0.1:6379> hincrby liziba money 1 4(error) ERR hash value is not an integer
五、set(集合)
1、set(集合)相關(guān)介紹
1.1 set(集合)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
Redis的set(集合)相當(dāng)于Java語(yǔ)言里的HashSet,它內(nèi)部的鍵值對(duì)是無(wú)序的、唯一的。它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)所有value為null的特殊字典。
集合中的最后一個(gè)元素被移除之后,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被自動(dòng)刪除,內(nèi)存被回收。
1.2 set(集合)的使用場(chǎng)景
set(集合)由于其特殊去重復(fù)的功能,我們可以用來(lái)存儲(chǔ)活動(dòng)中中獎(jiǎng)的用戶的ID,這樣可以保證一個(gè)用戶不會(huì)中獎(jiǎng)兩次。
?
2、set(集合)相關(guān)指令
sadd -> 添加集合成員,key值集合名稱,member值集合元素,元素不能重復(fù)
sadd key member [member …]
1127.0.0.1:6379> sadd name zhangsan 2(integer) 1 3127.0.0.1:6379> sadd name zhangsan # 不能重復(fù),重復(fù)返回0 4(integer) 0 5127.0.0.1:6379> sadd name lisi wangwu liumazi # 支持一次添加多個(gè)元素 6(integer) 3
smembers -> 查看集合中所有的元素,注意是無(wú)序的
smembers key
1127.0.0.1:6379> smembers name # 無(wú)序輸出集合中所有的元素 21) "lisi" 32) "wangwu" 43) "liumazi" 54) "zhangsan"
sismember -> 查詢集合中是否包含某個(gè)元素
sismember key member
127.0.0.1:6379> sismember name lisi # 包含返回1 (integer) 1 127.0.0.1:6379> sismember name tianqi # 不包含返回0 (integer) 0
scard -> 獲取集合的長(zhǎng)度
scard key
1127.0.0.1:6379> scard name 2(integer) 4
spop -> 彈出元素,count指彈出元素的個(gè)數(shù)
spop key [count]
127.0.0.1:6379> spop name # 默認(rèn)彈出一個(gè) "wangwu" 127.0.0.1:6379> spop name 3 1) "lisi" 2) "zhangsan" 3) "liumazi
六、zset(有序集合)
1、zset(有序集合)相關(guān)介紹
1.1 zset(有序集合)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
zset(有序集合)是Redis中最常問(wèn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它類似于Java語(yǔ)言中的SortedSet和HashMap的結(jié)合體,它一方面通過(guò)set來(lái)保證內(nèi)部value值的唯一性,另一方面通過(guò)value的score(權(quán)重)來(lái)進(jìn)行排序。這個(gè)排序的功能是通過(guò)Skip List(跳躍列表)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
zset(有序集合)的最后一個(gè)元素value被移除后,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被自動(dòng)刪除,內(nèi)存被回收。
1.2 zset(有序集合)的相關(guān)使用場(chǎng)景
利用zset的去重和有序的效果可以由很多使用場(chǎng)景,舉兩個(gè)例子:
- 存儲(chǔ)粉絲列表,value是粉絲的ID,score是關(guān)注時(shí)間戳,這樣可以對(duì)粉絲關(guān)注進(jìn)行排序
- 存儲(chǔ)學(xué)生成績(jī),value使學(xué)生的ID,score是學(xué)生的成績(jī),這樣可以對(duì)學(xué)生的成績(jī)排名
2、zset(有序集合)相關(guān)指令
1、zadd -> 向集合中添加元素,集合不存在則新建,key代表zset集合名稱,score代表元素的權(quán)重,member代表元素
zadd key [NX|XX] [CH] [INCR] score member [score member …]
127.0.0.1:6379> zadd name 10 zhangsan (integer) 1 127.0.0.1:6379> zadd name 10.1 lisi (integer) 1 127.0.0.1:6379> zadd name 9.9 wangwu (integer) 1
2、zrange -> 按照score權(quán)重從小到大排序輸出集合中的元素,權(quán)重相同則按照value的字典順序排序([lexicographical order])
超出范圍的下標(biāo)并不會(huì)引起錯(cuò)誤。 比如說(shuō),當(dāng) start 的值比有序集的最大下標(biāo)還要大,或是 start > stop 時(shí), zrange 命令只是簡(jiǎn)單地返回一個(gè)空列表。 另一方面,假如 stop 參數(shù)的值比有序集的最大下標(biāo)還要大,那么 Redis 將 stop 當(dāng)作最大下標(biāo)來(lái)處理。
可以通過(guò)使用 WITHSCORES 選項(xiàng),來(lái)讓成員和它的 score 值一并返回,返回列表以 value1,score1, …, valueN,scoreN 的格式表示。 客戶端庫(kù)可能會(huì)返回一些更復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型,比如數(shù)組、元組等。
zrange key start stop [WITHSCORES]
127.0.0.1:6379> zrange name 0 -1 # 獲取所有元素,按照score的升序輸出 1) "wangwu" 2) "zhangsan" 3) "lisi" 127.0.0.1:6379> zrange name 0 1 # 獲取第一個(gè)和第二個(gè)slot的元素 1) "wangwu" 2) "zhangsan" 127.0.0.1:6379> zadd name 10 tianqi # 在上面的基礎(chǔ)上添加score為10的元素 (integer) 1 127.0.0.1:6379> zrange name 0 2 # key相等則按照value字典排序輸出 1) "wangwu" 2) "tianqi" 3) "zhangsan" 127.0.0.1:6379> zrange name 0 -1 WITHSCORES # WITHSCORES 輸出權(quán)重 1) "wangwu" 2) "9.9000000000000004" 3) "tianqi" 4) "10" 5) "zhangsan" 6) "10" 7) "lisi" 8) "10.1"
3、zrevrange -> 按照score權(quán)重從大到小輸出集合中的元素,權(quán)重相同則按照value的字典逆序排序
其中成員的位置按 score 值遞減(從大到小)來(lái)排列。 具有相同 score 值的成員按字典序的逆序(reverse lexicographical order)排列。 除了成員按 score 值遞減的次序排列這一點(diǎn)外, ZREVRANGE 命令的其他方面和 ZRANGE key start stop [WITHSCORES] 命令一樣
zrevrange key start stop [WITHSCORES]
127.0.0.1:6379> zrevrange name 0 -1 WITHSCORES 1) "lisi" 2) "10.1" 3) "zhangsan" 4) "10" 5) "tianqi" 6) "10" 7) "wangwu" 8) "9.9000000000000004"
4、zcard -> 當(dāng) key 存在且是有序集類型時(shí),返回有序集的基數(shù)。 當(dāng) key 不存在時(shí),返回 0
zcard key
127.0.0.1:6379> zcard name (integer) 4
5、zscore -> 返回有序集 key 中,成員 member 的 score 值,如果 member 元素不是有序集 key 的成員,或 key 不存在,返回 nil
zscore key member z
127.0.0.1:6379> zscore name zhangsan "10" 127.0.0.1:6379> zscore name liziba (nil)
6、zrank -> 返回有序集 key 中成員 member 的排名。其中有序集成員按 score 值遞增(從小到大)順序排列。
排名以 0 為底,也就是說(shuō),score 值最小的成員排名為 0
zrank key member
127.0.0.1:6379> zrange name 0 -1 1) "wangwu" 2) "tianqi" 3) "zhangsan" 4) "lisi" 127.0.0.1:6379> zrank name wangwu (integer) 0
7、zrangebyscore -> 返回有序集 key 中,所有 score 值介于 min 和 max 之間(包括等于 min 或 max )的成員。有序集成員按 score 值遞增(從小到大)次序排列。
min 和 max 可以是 -inf 和 +inf ,這樣一來(lái),你就可以在不知道有序集的最低和最高 score 值的情況下,使用 [ZRANGEBYSCORE]這類命令。
默認(rèn)情況下,區(qū)間的取值使用閉區(qū)間,你也可以通過(guò)給參數(shù)前增加 ( 符號(hào)來(lái)使用可選的[開區(qū)間]小于或大于)
zrangebyscore key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]
127.0.0.1:6379> zrange name 0 -1 WITHSCORES # 輸出全部元素 1) "wangwu" 2) "9.9000000000000004" 3) "tianqi" 4) "10" 5) "zhangsan" 6) "10" 7) "lisi" 8) "10.1" 127.0.0.1:6379> zrangebyscore name 9 10 1) "wangwu" 2) "tianqi" 3) "zhangsan" 127.0.0.1:6379> zrangebyscore name 9 10 WITHSCORES # 輸出分?jǐn)?shù) 1) "wangwu" 2) "9.9000000000000004" 3) "tianqi" 4) "10" 5) "zhangsan" 6) "10" 127.0.0.1:6379> zrangebyscore name -inf 10 # -inf 從負(fù)無(wú)窮開始 1) "wangwu" 2) "tianqi" 3) "zhangsan" 127.0.0.1:6379> zrangebyscore name -inf +inf # +inf 直到正無(wú)窮 1) "wangwu" 2) "tianqi" 3) "zhangsan" 4) "lisi" 127.0.0.1:6379> zrangebyscore name (10 11 # 10 < score <=11 1) "lisi" 127.0.0.1:6379> zrangebyscore name (10 (10.1 # 10 < socre < -11 (empty list or set) 127.0.0.1:6379> zrangebyscore name (10 (11 1) "lisi"
8、zrem -> 移除有序集 key 中的一個(gè)或多個(gè)成員,不存在的成員將被忽略
zrem key member [member …]
127.0.0.1:6379> zrange name 0 -1 1) "wangwu" 2) "tianqi" 3) "zhangsan" 4) "lisi" 127.0.0.1:6379> zrem name zhangsan # 移除元素 (integer) 1 127.0.0.1:6379> zrange name 0 -1 1) "wangwu" 2) "tianqi" 3) "lisi"
七、Skip List
1、簡(jiǎn)介
跳表全稱叫做跳躍表,簡(jiǎn)稱跳表。跳表是一個(gè)隨機(jī)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),實(shí)質(zhì)就是一種可以進(jìn)行二分查找的有序鏈表。跳表在原有的有序鏈表上面增加了多級(jí)索引,通過(guò)索引來(lái)實(shí)現(xiàn)快速查找。跳表不僅能提高搜索性能,同時(shí)也可以提高插入和刪除操作的性能。
Skip List(跳躍列表)這種隨機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以看做是一個(gè)二叉樹的變種,它在性能上與紅黑樹、AVL樹很相近;但是Skip List(跳躍列表)的實(shí)現(xiàn)相比前兩者要簡(jiǎn)單很多,目前Redis的zset實(shí)現(xiàn)采用了Skip List(跳躍列表)(其它還有LevelDB等也使用了跳躍列表)。
RBT紅黑樹與Skip List(跳躍列表)簡(jiǎn)單對(duì)比:
RBT紅黑樹
- 插入、查詢時(shí)間復(fù)雜度O(logn)
- 數(shù)據(jù)天然有序
- 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,設(shè)計(jì)變色、左旋右旋平衡等操作
- 需要加鎖
Skip List跳躍列表
- 插入、查詢時(shí)間復(fù)雜度O(logn)
- 數(shù)據(jù)天然有序
- 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,鏈表結(jié)構(gòu)
- 無(wú)需加鎖
2、Skip List算法分析
2.1 Skip List論文
這里貼出Skip List的論文,需要詳細(xì)研究的請(qǐng)看論文,下文部分公式、代碼、圖片出自該論文。
Skip Lists: A Probabilistic Alternative to Balanced Trees
https://www.cl.cam.ac.uk/teaching/2005/Algorithms/skiplists.pdf
2.2 Skip List動(dòng)態(tài)圖
先通過(guò)一張動(dòng)圖來(lái)了解Skip List的插入節(jié)點(diǎn)元素的流程,此圖來(lái)自維基百科。
2.3 Skip List算法性能分析
2.3.1 計(jì)算隨機(jī)層數(shù)算法
首先分析的是執(zhí)行插入操作時(shí)計(jì)算隨機(jī)數(shù)的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程會(huì)涉及層數(shù)的計(jì)算,所以十分重要。對(duì)于節(jié)點(diǎn)他有如下特性:
- 節(jié)點(diǎn)都有第一層的指針
- 節(jié)點(diǎn)有第i層指針,那么第i+1層出現(xiàn)的概率為p
- 節(jié)點(diǎn)有最大層數(shù)限制,MaxLevel
計(jì)算隨機(jī)層數(shù)的偽代碼:
論文中的示例
Java版本
public int randomLevel(){ int level = 1; // random()返回一個(gè)[0...1)的隨機(jī)數(shù) while (random() < p && level < MaxLevel){ level += 1; } return level; }
代碼中包含兩個(gè)變量P和MaxLevel,在Redis中這兩個(gè)參數(shù)的值分別是:
1p = 1/4 2MaxLevel = 64
2.3.2 節(jié)點(diǎn)包含的平均指針數(shù)目
Skip List屬于空間換時(shí)間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),這里的空間指的就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含的指針數(shù)目,這一部分是額外的內(nèi)內(nèi)存開銷,可以用來(lái)度量空間復(fù)雜度。random()是個(gè)隨機(jī)數(shù),因此產(chǎn)生越高的節(jié)點(diǎn)層數(shù),概率越低(Redis標(biāo)準(zhǔn)源碼中的晉升率數(shù)據(jù)1/4,相對(duì)來(lái)說(shuō)Skip List的結(jié)構(gòu)是比較扁平的,層高相對(duì)較低)。其定量分析如下:
- level = 1 概率為1-p
- level >=2 概率為p
- level = 2 概率為p(1-p)
- level >= 3 概率為p^2
- level = 3 概率為p^2(1-p)
- level >=4 概率為p^3
- level = 4 概率為p^3(1-p)
- ……
得出節(jié)點(diǎn)的平均層數(shù)(節(jié)點(diǎn)包含的平均指針數(shù)目):
所以Redis中p=1/4計(jì)算的平均指針數(shù)目為1.33
?
2.3.3 時(shí)間復(fù)雜度計(jì)算
以下推算來(lái)自論文內(nèi)容
假設(shè)p=1/2,在以p=1/2生成的16個(gè)元素的跳過(guò)列表中,我們可能碰巧具有9個(gè)元素,1級(jí)3個(gè)元素,3個(gè)元素3級(jí)元素和1個(gè)元素14級(jí)(這不太可能,但可能會(huì)發(fā)生)。我們?cè)撛趺刺幚磉@種情況?如果我們使用標(biāo)準(zhǔn)算法并在第14級(jí)開始我們的搜索,我們將會(huì)做很多無(wú)用的工作。那么我們應(yīng)該從哪里開始搜索?此時(shí)我們假設(shè)SkipList中有n個(gè)元素,第L層級(jí)元素個(gè)數(shù)的期望是1/p個(gè);每個(gè)元素出現(xiàn)在L層的概率是p^(L-1), 那么第L層級(jí)元素個(gè)數(shù)的期望是 n * (p^L-1);得到1 / p =n * (p^L-1)
1 / p = n * (p^L-1) n = (1/p)^L L = log(1/p)^n
所以我們應(yīng)該選擇MaxLevel = log(1/p)^n
定義:MaxLevel = L(n) = log(1/p)^n
?
推算Skip List的時(shí)間復(fù)雜度,可以用逆向思維,從層數(shù)為i的節(jié)點(diǎn)x出發(fā),返回起點(diǎn)的方式來(lái)回溯時(shí)間復(fù)雜度,節(jié)點(diǎn)x點(diǎn)存在兩種情況:
- 節(jié)點(diǎn)x存在(i+1)層指針,那么向上爬一級(jí),概率為p,對(duì)應(yīng)下圖situation c.
- 節(jié)點(diǎn)x不存在(i+1)層指針,那么向左爬一級(jí),概率為1-p,對(duì)應(yīng)下圖situation b.
設(shè)C(k) = 在無(wú)限列表中向上攀升k個(gè)level的搜索路徑的預(yù)期成本(即長(zhǎng)度)那么推演如下:
C(0)=0 C(k)=(1-p)×(情況b的查找長(zhǎng)度) + p×(情況c的查找長(zhǎng)度) C(k)=(1-p)(C(k)+1) + p(C(k-1)+1) C(k)=1/p+C(k-1) C(k)=k/p
上面推演的結(jié)果可知,爬升k個(gè)level的預(yù)期長(zhǎng)度為k/p,爬升一個(gè)level的長(zhǎng)度為1/p。
由于MaxLevel = L(n), C(k) = k / p,因此期望值為:(L(n) – 1) / p;將L(n) = log(1/p)^n 代入可得:(log(1/p)^n - 1) / p;將p = 1 / 2 代入可得:2 * log2^n - 2,即O(logn)的時(shí)間復(fù)雜度。
3、Skip List特性及其實(shí)現(xiàn)
2.1 Skip List特性
Skip List跳躍列表通常具有如下這些特性
Skip List包含多個(gè)層,每層稱為一個(gè)level,level從0開始遞增Skip List 0層,也就是最底層,應(yīng)該包含所有的元素每一個(gè)level/層都是一個(gè)有序的列表level小的層包含level大的層的元素,也就是說(shuō)元素A在X層出現(xiàn),那么 想X>Z>=0的level/層都應(yīng)該包含元素A每個(gè)節(jié)點(diǎn)元素由節(jié)點(diǎn)key、節(jié)點(diǎn)value和指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所在level的指針數(shù)組組成
2.2 Skip List查詢
假設(shè)初始Skip List跳躍列表中已經(jīng)存在這些元素,他們分布的結(jié)構(gòu)如下所示:
此時(shí)查詢節(jié)點(diǎn)88,它的查詢路線如下所示:
從Skip List跳躍列表最頂層level3開始,往后查詢到10 < 88 && 后續(xù)節(jié)點(diǎn)值為null && 存在下層level2level2 10往后遍歷,27 < 88 && 后續(xù)節(jié)點(diǎn)值為null && 存在下層level1level1 27往后遍歷,88 = 88,查詢命中
2.3 Skip List插入
Skip List的初始結(jié)構(gòu)與2.3中的初始結(jié)構(gòu)一致,此時(shí)假設(shè)插入的新節(jié)點(diǎn)元素值為90,插入路線如下所示:
查詢插入位置,與Skip List查詢方式一致,這里需要查詢的是第一個(gè)比90大的節(jié)點(diǎn)位置,插入在這個(gè)節(jié)點(diǎn)的前面, 88 < 90 < 100構(gòu)造一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)Node(90),為插入的節(jié)點(diǎn)Node(90)計(jì)算一個(gè)隨機(jī)level,這里假設(shè)計(jì)算的是1,這個(gè)level時(shí)隨機(jī)計(jì)算的,可能時(shí)1、2、3、4…均有可能,level越大的可能越小,主要看隨機(jī)因子x ,層數(shù)的概率大致計(jì)算為 (1/x)^level ,如果level大于當(dāng)前的最大level3,需要新增head和tail節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造完畢后,需要將其插入列表中,插入十分簡(jiǎn)單步驟 -> Node(88).next = Node(90); Node(90).prev = Node(80); Node(90).next = Node(100); Node(100).prev = Node(90);
2.4 Skip List刪除
刪除的流程就是查詢到節(jié)點(diǎn),然后刪除,重新將刪除節(jié)點(diǎn)左右兩邊的節(jié)點(diǎn)以鏈表的形式組合起來(lái)即可,這里不再畫圖
?
4、手寫實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單Skip List
實(shí)現(xiàn)一個(gè)Skip List比較簡(jiǎn)單,主要分為兩個(gè)步驟:
- 定義Skip List的節(jié)點(diǎn)Node,節(jié)點(diǎn)之間以鏈表的形式存儲(chǔ),因此節(jié)點(diǎn)持有相鄰節(jié)點(diǎn)的指針,其中prev與next是同一level的前后節(jié)點(diǎn)的指針,down與up是同一節(jié)點(diǎn)的多個(gè)level的上下節(jié)點(diǎn)的指針
- 定義Skip List的實(shí)現(xiàn)類,包含節(jié)點(diǎn)的插入、刪除、查詢,其中查詢操作分為升序查詢和降序查詢(往后和往前查詢),這里實(shí)現(xiàn)的Skip List默認(rèn)節(jié)點(diǎn)之間的元素是升序鏈表
3.1 定義Node節(jié)點(diǎn)
Node節(jié)點(diǎn)類主要包括如下重要屬性:
- score -> 節(jié)點(diǎn)的權(quán)重,這個(gè)與Redis中的score相同,用來(lái)節(jié)點(diǎn)元素的排序作用
- value -> 節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的真實(shí)數(shù)據(jù),只能存儲(chǔ)String類型的數(shù)據(jù)
- prev -> 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn),同一level
- next -> 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn),同一level
- down -> 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下層節(jié)點(diǎn),同一節(jié)點(diǎn)的不同level
- up -> 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的上層節(jié)點(diǎn),同一節(jié)點(diǎn)的不同level
package com.liziba.skiplist; /** * <p> * 跳表節(jié)點(diǎn)元素 * </p> * * @Author: Liziba * @Date: 2021/7/5 21:01 */ public class Node { /** 節(jié)點(diǎn)的分?jǐn)?shù)值,根據(jù)分?jǐn)?shù)值來(lái)排序 */ public Double score; /** 節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的真實(shí)數(shù)據(jù) */ public String value; /** 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的 前、后、下、上節(jié)點(diǎn)的引用 */ public Node prev, next, down, up; public Node(Double score) { this.score = score; prev = next = down = up = null; } public Node(Double score, String value) { this.score = score; this.value = value; } }
3.2 SkipList節(jié)點(diǎn)元素的操作類
SkipList主要包括如下重要屬性:
- head -> SkipList中的頭節(jié)點(diǎn)的最上層頭節(jié)點(diǎn)(level最大的層的頭節(jié)點(diǎn)),這個(gè)節(jié)點(diǎn)不存儲(chǔ)元素,是為了構(gòu)建列表和查詢時(shí)做查詢起始位置的,具體的結(jié)構(gòu)請(qǐng)看2.3中的結(jié)構(gòu)
- tail -> SkipList中的尾節(jié)點(diǎn)的最上層尾節(jié)點(diǎn)(level最大的層的尾節(jié)點(diǎn)),這個(gè)節(jié)點(diǎn)也不存儲(chǔ)元素,是查詢某一個(gè)level的終止標(biāo)志
- level -> 總層數(shù)
- size -> Skip List中節(jié)點(diǎn)元素的個(gè)數(shù)
- random -> 用于隨機(jī)計(jì)算節(jié)點(diǎn)level,如果 random.nextDouble() < 1/2則需要增加當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的level,如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)增加的level超過(guò)了總的level則需要增加head和tail(總level)
package com.liziba.skiplist; import java.util.Random; /** * <p> * 跳表實(shí)現(xiàn) * </p> * * @Author: Liziba */ public class SkipList { /** 最上層頭節(jié)點(diǎn) */ public Node head; /** 最上層尾節(jié)點(diǎn) */ public Node tail; /** 總層數(shù) */ public int level; /** 元素個(gè)數(shù) */ public int size; public Random random; public SkipList() { level = size = 0; head = new Node(null); tail = new Node(null); head.next = tail; tail.prev = head; } /** * 查詢插入節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)位置 * * @param score * @return */ public Node fidePervNode(Double score) { Node p = head; for(;;) { // 當(dāng)前層(level)往后遍歷,比較score,如果小于當(dāng)前值,則往后遍歷 while (p.next.value == null && p.prev.score <= score) p = p.next; // 遍歷最右節(jié)點(diǎn)的下一層(level) if (p.down != null) p = p.down; else break; } return p; } /** * 插入節(jié)點(diǎn),插入位置為fidePervNode(Double score)前面 * * @param score * @param value */ public void insert(Double score, String value) { // 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前置節(jié)點(diǎn) Node preNode = fidePervNode(score); // 當(dāng)前新插入的節(jié)點(diǎn) Node curNode = new Node(score, value); // 分?jǐn)?shù)和值均相等則直接返回 if (curNode.value != null && preNode.value != null && preNode.value.equals(curNode.value) && curNode.score.equals(preNode.score)) { return; } preNode.next = curNode; preNode.next.prev = curNode; curNode.next = preNode.next; curNode.prev = preNode; int curLevel = 0; while (random.nextDouble() < 1/2) { // 插入節(jié)點(diǎn)層數(shù)(level)大于等于層數(shù)(level),則新增一層(level) if (curLevel >= level) { Node newHead = new Node(null); Node newTail = new Node(null); newHead.next = newTail; newHead.down = head; newTail.prev = newHead; newTail.down = tail; head.up = newHead; tail.up = newTail; // 頭尾節(jié)點(diǎn)指針修改為新的,確保head、tail指針一直是最上層的頭尾節(jié)點(diǎn) head = newHead; tail = newTail; ++level; } while (preNode.up == null) preNode = preNode.prev; preNode = preNode.up; Node copy = new Node(null); copy.prev = preNode; copy.next = preNode.next; preNode.next.prev = copy; preNode.next = copy; copy.down = curNode; curNode.up = copy; curNode = copy; ++curLevel; } ++size; } /** * 查詢指定score的節(jié)點(diǎn)元素 * @param score * @return */ public Node search(double score) { Node p = head; for (;;) { while (p.next.score != null && p.next.score <= score) p = p.next; if (p.down != null) p = p.down; else // 遍歷到最底層 if (p.score.equals(score)) return p; return null; } } /** * 升序輸出Skip List中的元素 (默認(rèn)升序存儲(chǔ),因此從列表head往tail遍歷) */ public void dumpAllAsc() { Node p = head; while (p.down != null) { p = p.down; } while (p.next.score != null) { System.out.println(p.next.score + "-->" + p.next.value); p = p.next; } } /** * 降序輸出Skip List中的元素 */ public void dumpAllDesc() { Node p = tail; while (p.down != null) { p = p.down; } while (p.prev.score != null) { System.out.println(p.prev.score + "-->" + p.prev.value); p = p.prev; } } /** * 刪除Skip List中的節(jié)點(diǎn)元素 * @param score */ public void delete(Double score) { Node p = search(score); while (p != null) { p.prev.next = p.next; p.next.prev = p.prev; p = p.up; } } }
到此這篇關(guān)于多維度深入分析Redis的5種基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文章就介紹到這了。希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持服務(wù)器之家。
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