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Redis核心技术探索:应用实战与原理解析
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更新于2024-06-30
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《Redis深度历险:核心原理与应用实践》是一本由钱文品老师撰写的教程,旨在深入探讨和实践Redis这一流行的数据结构存储系统。本书共分为八章,每章围绕Redis的核心数据结构和在实际场景中的应用展开。 开篇部分,作者通过"授人以鱼不若授人以渔"的理念,引导读者理解Redis的应用价值,强调学习的重点在于掌握原理而非单纯的记忆操作。章节内容涵盖了Redis的安装与基础数据结构,包括字符串(strings)、列表(lists)、哈希(hashes)和集合(sets),并介绍了这些数据结构的通用规则和使用场景。 在应用实践方面,作者详细介绍了Redis的分布式锁和延时队列功能,如超时处理、可重入性、队列空处理等,以及如何利用Redis实现高效的时间复杂度。位图(bitmap)和HyperLogLog算法也被深入剖析,展示其在计数和精度方面的优势。此外,布隆过滤器和简单/漏斗限流策略的应用也被提及,展示了Redis在处理海量数据和并发控制中的实用性。 书中还涉及到Redis-Cell和GeoHash等高级特性,前者用于高效存储和处理空间数据,后者则利用GeoHash编码实现地理位置的搜索和附近查询。每一章都配以思考题和作业,帮助读者巩固所学知识并进行实践练习。 《Redis深度历险:核心原理与应用实践》不仅适合希望深入理解Redis技术的开发者,也适合希望通过Redis提升工作效率的工程师,是一本理论与实战相结合的实用指南。
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Redis 深度历险:核心原理与应用实践 | 钱文品 著
第 15 页 共 226 页
(error) ERR increment or decrement would overflow
字符串是由多个字节组成,每个字节又是由 8 个 bit 组成,如此便可以将一个字符串看
成很多 bit 的组合,这便是 bitmap「位图」数据结构,位图的具体使用会放到后面的章节来
讲。
关于字符串的内部结构实现,请阅读此书第 32 节《极度深寒——探索「字符串」内部》
list (列表)
Redis 的列表相当于 Java 语言里面的 LinkedList,注意它是链表而不是数组。这意味着
list 的插入和删除操作非常快,时间复杂度为 O(1),但是索引定位很慢,时间复杂度为
O(n),这点让人非常意外。
当列表弹出了最后一个元素之后,该数据结构自动被删除,内存被回收。
Redis 的列表结构常用来做异步队列使用。将需要延后处理的任务结构体序列化成字符
串塞进 Redis 的列表,另一个线程从这个列表中轮询数据进行处理。
右边进左边出:队列
> rpush books python java golang
(integer) 3
> llen books
(integer) 3
> lpop books
"python"
> lpop books
"java"
> lpop books
"golang"
> lpop books
(nil)
右边进右边出:栈
> rpush books python java golang
(integer) 3
> rpop books
"golang"
> rpop books
"java"
> rpop books
"python"
> rpop books
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(nil)
慢操作
lindex 相当于 Java 链表的 get(int index)方法,它需要对链表进行遍历,性能随着参数
index 增大而变差。 ltrim 和字面上的含义不太一样,个人觉得它叫 lretain(保留) 更合适一
些,因为 ltrim 跟的两个参数 start_index 和 end_index 定义了一个区间,在这个区间内的值,
ltrim 要保留,区间之外统统砍掉。我们可以通过 ltrim 来实现一个定长的链表,这一点非常
有用。index 可以为负数,index=-1 表示倒数第一个元素,同样 index=-2 表示倒数第二个元
素。
> rpush books python java golang
(integer) 3
> lindex books 1 # O(n) 慎用
"java"
> lrange books 0 -1 # 获取所有元素,O(n) 慎用
1) "python"
2) "java"
3) "golang"
> ltrim books 1 -1 # O(n) 慎用
OK
> lrange books 0 -1
1) "java"
2) "golang"
> ltrim books 1 0 # 这其实是清空了整个列表,因为区间范围长度为负
OK
> llen books
(integer) 0
快速列表
如果再深入一点,你会发现 Redis 底层存储的还不是一个简单的 linkedlist,而是称之为
快速链表 quicklist 的一个结构。
首先在列表元素较少的情况下会使用一块连续的内存存储,这个结构是 ziplist,也即是
压缩列表。它将所有的元素紧挨着一起存储,分配的是一块连续的内存。当数据量比较多的
时候才会改成 quicklist。因为普通的链表需要的附加指针空间太大,会比较浪费空间,而且
会加重内存的碎片化。比如这个列表里存的只是 int 类型的数据,结构上还需要两个额外的
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指针 prev 和 next 。所以 Redis 将链表和 ziplist 结合起来组成了 quicklist。也就是将多个
ziplist 使用双向指针串起来使用。这样既满足了快速的插入删除性能,又不会出现太大的空
间冗余。
关于列表的内部结构实现,请阅读此书第 34 节《极度深寒 —— 探索「压缩列表」内
部》和第 35 节《极度深寒 —— 探索「快速列表」内部》
hash (字典)
Redis 的字典相当于 Java 语言里面的 HashMap,它是无序字典。内部实现结构上同
Java 的 HashMap 也是一致的,同样的数组 + 链表二维结构。第一维 hash 的数组位置碰撞
时,就会将碰撞的元素使用链表串接起来。
不同的是,Redis 的字典的值只能是字符串,另外它们 rehash 的方式不一样,因为
Java 的 HashMap 在字典很大时,rehash 是个耗时的操作,需要一次性全部 rehash。Redis
为了高性能,不能堵塞服务,所以采用了渐进式 rehash 策略。
渐进式 rehash 会在 rehash 的同时,保留新旧两个 hash 结构,查询时会同时查询两个
hash 结构,然后在后续的定时任务中以及 hash 的子指令中,循序渐进地将旧 hash 的内容
一点点迁移到新的 hash 结构中。
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当 hash 移除了最后一个元素之后,该数据结构自动被删除,内存被回收。
hash 结构也可以用来存储用户信息,不同于字符串一次性需要全部序列化整个对象,
hash 可以对用户结构中的每个字段单独存储。这样当我们需要获取用户信息时可以进行部分
获取。而以整个字符串的形式去保存用户信息的话就只能一次性全部读取,这样就会比较浪
费网络流量。
hash 也有缺点,hash 结构的存储消耗要高于单个字符串,到底该使用 hash 还是字符
串,需要根据实际情况再三权衡。
> hset books java "think in java" # 命令行的字符串如果包含空格,要用引号括起来
(integer) 1
> hset books golang "concurrency in go"
(integer) 1
> hset books python "python cookbook"
(integer) 1
> hgetall books # entries(),key 和 value 间隔出现
1) "java"
2) "think in java"
3) "golang"
4) "concurrency in go"
5) "python"
6) "python cookbook"
> hlen books
(integer) 3
> hget books java
"think in java"
> hset books golang "learning go programming" # 因为是更新操作,所以返回 0
(integer) 0
> hget books golang "learning go programming"
> hmset books java "effective java" python "learning python" golang "modern golang
programming" # 批量 set
OK
同字符串一样,hash 结构中的单个子 key 也可以进行计数,它对应的指令是 hincrby,
和 incr 使用基本一样。
# 老钱又老了一岁
> hincrby user-laoqian age 1
(integer) 30
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关于字典的内部结构实现,请阅读此书第 33 节《极度深寒——探索「字典」内部》。
set (集合)
Redis 的集合相当于 Java 语言里面的 HashSet,它内部的键值对是无序的唯一的。它的
内部实现相当于一个特殊的字典,字典中所有的 value 都是一个值 NULL。
当集合中最后一个元素移除之后,数据结构自动删除,内存被回收。 set 结构可以用来
存储活动中奖的用户 ID,因为有去重功能,可以保证同一个用户不会中奖两次。
> sadd books python
(integer) 1
> sadd bookspython # 重复
(integer) 0
> sadd books java golang
(integer) 2
> smembers books # 注意顺序,和插入的并不一致,因为 set 是无序的
1) "java"
2) "python"
3) "golang"
> sismember books java # 查询某个 value 是否存在,相当于 contains(o)
(integer) 1
> sismember books rust
(integer) 0
> scard books # 获取长度相当于 count()
(integer) 3
> spop books # 弹出一个
"java"
zset (有序列表)
zset 可能是 Redis 提供的最为特色的数据结构,它也是在面试中面试官最爱问的数据结
构。它类似于 Java 的 SortedSet 和 HashMap 的结合体,一方面它是一个 set,保证了内部
value 的唯一性,另一方面它可以给每个 value 赋予一个 score,代表这个 value 的排序权
重。它的内部实现用的是一种叫着「跳跃列表」的数据结构。
zset 中最后一个 value 被移除后,数据结构自动删除,内存被回收。 zset 可以用来存
粉丝列表,value 值是粉丝的用户 ID,score 是关注时间。我们可以对粉丝列表按关注时间
进行排序。
zset 还可以用来存储学生的成绩,value 值是学生的 ID,score 是他的考试成绩。我们
可以对成绩按分数进行排序就可以得到他的名次。
怎么工作的?
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