景安建网站,直接下载app安装,网站建设与推广长春,网站本地环境搭建软件Redis#xff0c;作为一种高性能的键值对数据库#xff0c;因其丰富的数据类型和高效的性能而受到了广泛的关注和使用。在 Redis 的五种主要数据类型中#xff0c;Zset#xff08;有序集合#xff09;类型可能是最复杂#xff0c;但也是最强大的一种。Zset 不仅可以存储键… Redis作为一种高性能的键值对数据库因其丰富的数据类型和高效的性能而受到了广泛的关注和使用。在 Redis 的五种主要数据类型中Zset有序集合类型可能是最复杂但也是最强大的一种。Zset 不仅可以存储键值对还可以为每个元素分配一个分数然后根据这个分数进行排序。这使得 Zset 非常适合用于实现排行榜、时间线等功能。 在这篇文章中我们将全面解析 Redis 的 Zset 类型。我们将从 Zset 的基本概念和特性开始然后深入到它的内部实现和性能优化。我们还将通过实际的示例来展示如何在实际应用中使用 Zset。无论你是刚接触 Redis还是已经有一定经验的开发者我相信你都能从这篇文章中学到一些有用的知识。 文章目录 1、Zset数据类型1.1、Zset类型简介1.2、Zset应用场景 3、Zset底层结构3.1、Zset底层结构介绍3.2、压缩列表ziplist3.3、跳跃表skiplist3.4、Redis跳表与MySQLB树 3、ZSet 常用命令2.1、添加操作2.2、返回指定成员分数2.3、返回指定成员排名2.4、其他Zset命令 1、Zset数据类型
1.1、Zset类型简介
Zset即有序集合Sorted Set是 Redis 提供的一种复杂数据类型。Zset 是 set 的升级版它在 set 的基础上增加了一个权重参数 score使得集合中的元素能够按 score 进行有序排列。
在 Zset 中集合元素的添加、删除和查找的时间复杂度都是 O(1)。这得益于 Redis 使用的是一种叫做跳跃列表skiplist的数据结构来实现 Zset。
Zset 的主要特性包括 唯一性和 set 类型一样Zset 中的元素也是唯一的也就是说同一个元素在同一个 Zset 中只能出现一次。 排序Zset 中的元素是有序的它们按照 score 的值从小到大排列。如果多个元素有相同的 score那么它们会按照字典序进行排序。 自动更新排序当你修改 Zset 中的元素的 score 值时元素的位置会自动按新的 score 值进行调整。
1.2、Zset应用场景
Redis 的 Zset有序集合类型在许多场景中都非常有用以下是一些常见的应用场景 排行榜Zset 非常适合用于实现各种排行榜。例如你可以将用户的 ID 作为元素用户的分数作为分数然后使用 Zset 来存储和排序所有用户的分数。你可以很容易地获取到分数最高的用户或者获取到任何用户的排名。 时间线你可以使用 Zset 来实现时间线功能。例如你可以将发布的消息作为元素消息的发布时间作为分数然后使用 Zset 来存储和排序所有的消息。你可以很容易地获取到最新的消息或者获取到任何时间段内的消息。 带权重的队列Zset 可以用于实现带权重的队列。例如你可以将任务作为元素任务的优先级作为分数然后使用 Zset 来存储和排序所有的任务。你可以很容易地获取到优先级最高的任务或者按优先级顺序执行任务。 延时队列你可以将需要延时处理的任务作为元素任务的执行时间作为分数然后使用 Zset 来存储和排序所有的任务。你可以定期扫描 Zset处理已经到达执行时间的任务。
以上只是 Zset 的一些常见应用场景实际上Zset 的应用非常广泛只要是需要排序和排名功能的场景都可以考虑使用 Zset。 3、Zset底层结构
3.1、Zset底层结构介绍
Redis 的 Zset有序集合类型的底层实现会根据实际情况选择使用压缩列表ziplist或者跳跃表skiplist。Redis 会根据实际情况动态地在这两种底层结构之间切换以在内存使用和性能之间找到一个平衡。
这主要取决于两个配置参数zset-max-ziplist-entries 和 zset-max-ziplist-value。 使用压缩列表当 Zset 存储的元素数量小于 zset-max-ziplist-entries 的值且所有元素的最大长度小于 zset-max-ziplist-value 的值时Redis 会选择使用压缩列表作为底层实现。压缩列表占用的内存较少但是在需要修改数据时可能需要对整个压缩列表进行重写性能较低。 使用跳跃表当 Zset 存储的元素数量超过 zset-max-ziplist-entries 的值或者任何元素的长度超过 zset-max-ziplist-value 的值时Redis 会将底层结构从压缩列表转换为跳跃表。跳跃表的查找和修改数据的性能较高但是占用的内存也较多。
这两个参数都可以在 Redis 的配置文件中进行设置。通过调整这两个参数你可以根据自己的应用特性选择更倾向于节省内存还是更倾向于提高性能。
3.2、压缩列表ziplist
压缩列表是一种为节省内存而设计的特殊编码结构它将所有的元素和分数紧凑地存储在一起。这种方式的优点是占用内存少但是在需要修改数据时可能需要对整个压缩列表进行重写性能较低。当 Zset 存储的元素数量较少且元素的字符串长度较短时Redis 会选择使用压缩列表作为底层实现。
一个压缩列表的结构如下
-------------------------------------------------------------
| zlbytes | zltail | zllen | entry_1 | entry_2 | ... | zlend |
-------------------------------------------------------------Ps在 Redis 的源代码中压缩列表ziplist的结构并没有直接定义为一个 C 结构体而是通过一系列的宏和函数来操作一段连续的内存。
属性说明“zlbytes”一个 4 字节的整数表示整个压缩列表占用的字节数量包括 zlbytes 自身的大小。“zltail”一个 4 字节的整数表示压缩列表中最后一个元素的偏移量。这个偏移量是相对于整个压缩列表的起始地址的。“zllen”一个 2 字节的整数表示压缩列表中的元素数量。如果元素数量超过 65535那么这个值就会被设定为 65535需要遍历整个压缩列表才能获取到实际的元素数量。“entry”压缩列表中的元素每个元素都由一个或多个字节组成。每个元素的第一个字节又称为entry header用于表示这个元素的长度以及编码方式。“zlend”一个字节值为 255表示压缩列表的结束。
在 Zset 中每个元素和它的分数都会作为一个独立的元素存储在压缩列表中元素和分数会交替存储即第一个元素是成员第二个元素是分数第三个元素是成员第四个元素是分数以此类推。
压缩列表的优点是占用内存少但是在需要修改数据时可能需要对整个压缩列表进行重写性能较低。
3.3、跳跃表skiplist
跳跃表是一种可以进行快速查找的有序数据结构它通过维护多级索引来实现快速查找。这种方式的优点是查找和修改数据的性能较高但是占用的内存也较多。当 Zset 存储的元素数量较多或者元素的字符串长度较长时Redis 会选择使用跳跃表作为底层实现。
跳跃表skiplist是一种可以进行快速查找的有序数据结构它通过维护多级索引来实现快速查找。
在 Redis 的源代码中跳跃表的结构定义如下
typedef struct zskiplistNode {robj *obj;double score;struct zskiplistNode *backward;struct zskiplistLevel {struct zskiplistNode *forward;unsigned int span;} level[];
} zskiplistNode;typedef struct zskiplist {struct zskiplistNode *header, *tail;unsigned long length;int level;
} zskiplist;其中 zskiplistNode 结构体表示跳跃表中的一个节点包含元素对象obj、分数score、指向前一个节点的指针backward和一个包含多个层的数组level。每一层都包含一个指向下一个节点的指针forward和一个表示当前节点到下一个节点的跨度span。 zskiplist 结构体表示一个跳跃表包含头节点header、尾节点tail、跳跃表中的节点数量length和当前跳跃表的最大层数level。
跳跃表的查找、插入和删除操作的时间复杂度都是 O(logN)其中 N 是跳跃表中的元素数量。这使得跳跃表在处理大量数据时具有很高的性能。
跳表在链表的基础上增加了多级索引通过多级索引位置的专跳实现了快速查找元素
比如下面查找 27 需要遍历 6 次
一级索引每间隔一个元素 一次索引遍历 5 个节点
二级索引一次索引基础上每间隔一个元素 二索引遍历 5 个节点 本身利用的思想类似于二分法
3.4、Redis跳表与MySQLB树
MySQL 的 B 树和 Redis 的跳表都是用于存储有序数据的数据结构但它们有一些关键的区别使得它们在不同的场景和用途中各有优势。 结构差异B 树是一种多路搜索树每个节点可以有多个子节点而跳表是一种基于链表的数据结构每个节点只有一个下一个节点但可以有多个快速通道指向后面的节点。 空间利用率B 树的磁盘读写操作是以页通常是 4KB为单位的每个节点存储多个键值对可以更好地利用磁盘空间减少 I/O 操作。而跳表的空间利用率相对较低。 插入和删除操作跳表的插入和删除操作相对简单时间复杂度为 O(logN)并且不需要像 B 树那样进行复杂的节点分裂和合并操作。 范围查询B 树的所有叶子节点形成了一个有序链表因此非常适合进行范围查询。而跳表虽然也可以进行范围查询但效率相对较低。
因此B 树和跳表不能简单地相互替换。在需要大量进行磁盘 I/O 操作和范围查询的场景如数据库索引中B 树可能是更好的选择。而在主要进行内存操作且需要频繁进行插入和删除操作的场景如 Redis中跳表可能更有优势。
Mysql 为什么使用 B 树而不是跳表
Mysql 数据库是持久化数据库即是存储到磁盘上的因此查询时要求更少磁盘 IO且 Mysql 是读多写少的场景较多显然 B 树更加适合M ysql。
Redis 的 ZSet 为什么使用跳表而不是B树
Redis 是内存存储不存在 IO 的瓶颈所以跳表的层数的耗时可以忽略不计而且插入数据时不需要开销以平衡数据结构写多。 3、ZSet 常用命令
2.1、添加操作
在 Redis 中ZADD 命令用于向有序集合Zset中添加一个或多个成员或者更新已存在成员的分数。它的基本语法如下
ZADD key score member [score member ...]其中key 是有序集合的名称score 是成员的分数member 是成员的值。你可以一次添加一个或多个成员。
例如你可以使用以下命令向名为 myzset 的有序集合中添加一个成员 one其分数为 1
ZADD myzset 1 one如果你想要一次添加多个成员可以在命令后面依次列出它们的分数和值例如
ZADD myzset 1 one 2 two 3 three这个命令会向 myzset 集合中添加三个成员它们的分数分别为 1、2 和 3。
如果添加的成员在有序集合中已经存在那么它的分数会被更新为新的值同时该成员在集合中的位置也会相应地发生变化。
2.2、返回指定成员分数
在 Redis 中ZSCORE 命令用于返回有序集合Zset中指定成员的分数。它的基本语法如下
ZSCORE key member其中key 是有序集合的名称member 是要查询分数的成员。
例如你可以使用以下命令查询名为 myzset 的有序集合中成员 one 的分数
ZSCORE myzset one如果指定的成员存在于有序集合中那么命令会返回该成员的分数。如果指定的成员不存在于有序集合中那么命令会返回 nil。
需要注意的是ZSCORE 命令返回的分数是字符串形式的浮点数。
2.3、返回指定成员排名
在 Redis 中ZRANK 命令用于返回有序集合Zset中指定成员的排名其中分数值从低到高排序。它的基本语法如下
ZRANK key member其中key 是有序集合的名称member 是要查询排名的成员。
例如你可以使用以下命令查询名为 myzset 的有序集合中成员 one 的排名
ZRANK myzset one如果指定的成员存在于有序集合中那么命令会返回该成员的排名。排名以 0 为底也就是说分数最低的成员排名为 0。
如果指定的成员不存在于有序集合中那么命令会返回 nil。
需要注意的是ZRANK 命令返回的排名是字符串形式的整数。
2.4、其他Zset命令
Redis 中 Zset 其他的一些常用命令还有 ZREVRANK key member返回有序集合中指定成员的索引分数值从高到低排序。 ZRANGE key start stop [WITHSCORES]返回有序集中指定区间内的成员。 ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]返回有序集中指定区间内的成员通过索引分数值从高到低。 ZREM key member [member …]移除有序集合中的一个或多个成员。 ZCARD key获取有序集合的成员数。 ZCOUNT key min max计算在有序集合中指定区间分数的成员数。 ZINCRBY key increment member为有序集合中的成员添加增量。
以上只是 Zse 其他 Hash 命令的一些常用命令更多的命令和详细的使用方法可以查阅 Redis 的官方文档。
