图解Redis数据结构之对象系统

Redis基于其基础数据结构创建了对象系统。这个对象系统包含了字符串对象、列表对象、哈希对象、集合对象和有序集合对象，每一种对象都使用到了至少一种基础数据结构。

一、对象的类型与编码

1、Redis对象结构

2、对象编码和底层实现

Redis命令查询：http://www.redis.cn/commands.html

二、底层数据结构与对象关系

1、字符串对象

1）编码介绍

• 字符串对象有三种编码：int、embstr、raw
• int编码的字符串和embstr编码的字符串对象可以转换为raw编码的字符串
• embstr编码的字符串是只读的，且会分配一个连续的内存空间存储，因此分配和回收都只需要一次，而raw需要两次
• 编码转换：当字符串值的长度大于32字节时采用raw编码存储，否则采用embstr编码，若为int类型值则采用int编码

2）应用场景

• 缓存：经典使用场景，把常用信息，字符串，图片或者视频等信息放到Redis中，Redis作为缓存层，mysql做持久化层，降低mysql的读写压力
• 计数器：Redis是单线程模型，一个命令执行完才会执行下一个，可用作秒杀库存扣减等
• 分布式锁：常见分布式锁解决方案，这也得益于Redis的单线程模型

2、列表对象

1）编码介绍

• 列表对象有两种编码：ziplist、linkedlist
• ziplist编码的列表对象使用压缩列表作为底层实现，每一个压缩列表节点（entry）保存一个列表元素
• linkedlist编码的列表对象使用双端链表作为底层实现，每一个链表节点（node）保存一个字符串对象，每个字符串对象保存一个列表元素
• 编码转换：当列表对象所有元素的长度小于64字节且列表的元素数量小于512个时使用ziplist，否则使用linkedlist编码

2）应用场景

• 栈：lpush+lpop
• 队列：lpush+rpop
• 有限集合：lpush+ltrim
• 消息队列：lpush+brpop
• timeline：例如微博的时间轴，有人发布微博，用lpush加入时间轴，展示新的列表信息。

3、哈希对象

1）编码介绍

• 哈希对象有两种编码：ziplist、hashtable
• ziplist编码的哈希对象使用压缩列表作为底层实现，当有节点加入时，会推入两个节点一个是键一个是值到表尾
• hashtable编码的哈希对象使用字典作为底层实现，哈希对象中的每一个键值对都使用一个字典键值对来保存
• 编码转换：和列表对象的转换条件类似，当所有元素的长度小于64字节且列表的元素数量小于512个时使用ziplist，否则使用hashtable编码

2）应用场景

• 缓存： 经典使用场景，把常用信息，字符串，图片或者视频等信息放到redis中，Redis作为缓存层，mysql做持久化层，降低mysql的读写压力
• 计数器：redis是单线程模型，hash结构的每一个小key可以原子的累计，也可用于秒杀场景，购物车等
• session：常见方案spring session + redis实现session共享

4、集合对象

1）编码介绍

• 集合对象有两种编码：intset、hashtable
• intset编码的集合对象使用整数集合作为底层实现
• hashtable编码的集合对象使用字典作为底层实现，字典的每一个键都是一个字符串对象，每个字符串对象包含了一个集合元素，而字典的值全部被设置为NULL
• 编码转换：所有集合元素都是数值，且元素的数量不超过512个时使用intset，否则使用hashtable

2）应用场景

• 标签（tag）,给用户添加标签，或者用户给消息添加标签，这样有同一标签或者类似标签的可以给推荐关注的事或者关注的人
• 点赞，或点踩，收藏等，可以放到set中实现

5、有序集合对象

1）编码介绍

• 有序集合对象有两种编码：ziplist、skiplist
• ziplist编码的有序集合对象使用压缩列表作为底层实现，每一个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表节点保存，元素按照分值由小到大顺序排列
• skiplist编码的有序集合对象比较特殊，其采用skiplist&dict的组合方式实现有序集合，每个跳跃表节点object属性保存一个集合元素，且其score属性则保存元素的分值，通过跳表可以实现范围查询。为了实现 O(1) 复杂度的节点查询，该实现引入了字典，字典的每一个键值对保存一个集合元素，字典键用于保存元素，字典值用于保存分值
• 编码转换：当所有元素的长度小于128个且集合的所有元素长度都小于64字节时使用ziplist，否则使用skiplist编码

2）应用场景

• 排行榜：有序集合经典使用场景。例如小说视频等网站需要对用户上传的小说视频做排行榜，榜单可以按照用户关注数，更新时间，字数等打分，做排行。

6、特殊数据结构

• HyperLogLog(基数统计)
• Geo(地理空间信息)
• Pub/Sub(发布订阅)
• BloomFilter(布隆过滤)
• Bitmap(位图)

三、内存回收

C语言并不具备自动内存回收功能，所以Redis在自己的对象系统中构建了一个引用计数来实现的内存回收机制，通过这一机制，程序可以追踪对象的引用计数信息，在适当的时候自动释放对象并进行内存回收。在redisObject中属性refcount用作引用计数。

四、对象共享

对象的引用计数属性带有对象共享的机制，共享对象的前提条件必须是将要创建的对象和已存在对象完全一致，那么越复杂的对象验证操作的复杂度越高。尽管共享更复杂的对象更能节约更多的内存，但受到CPU时间限制，Redis只对包含整数值的字符串对象（0-9999的字符串对象）进行共享。

五、对象的空转时长

Redis对象属性后只能够还包含一个lru属性，该属性记录了对象最后一次被命令程序访问的时间，该属性被用作于服务器内存回收，volatile2-lru或者allkeys-lru内存回收算法就是在服务器内存超过了maxmemory值时，空转时长高的键内存空间将被回收（空转时长=当前时间-lru时间）。