深入剖析Redis系列(五) - Redis数据结构之字符串

柔光的暖阳◎ 2022-03-15 07:46 272阅读 0赞

# 前言 #

**字符串类型** 是 `Redis` 最基础的数据结构。**字符串类型** 的值实际可以是 **字符串**（**简单** 和 **复杂** 的字符串，例如 `JSON`、`XML`）、**数字**（整数、浮点数），甚至是 **二进制**（图片、音频、视频），但是值最大不能超过 `512MB`。

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# 正文 #

## 1. 相关命令 ##

### 1.1. 常见命令 ###

#### 1.1.1. 设置值 ####

> set key value \[ex seconds\] \[px milliseconds\] \[nx|xx\]

`set` 命令有几个选项：

1.  **ex seconds**：为 **键** 设置 **秒级过期时间**。
2.  **px milliseconds**：为 **键** 设置 **毫秒级过期时间**。
3.  **nx**：键必须 **不存在**，才可以设置成功，用于 **添加**。
4.  **xx**：与 `nx` 相反，键必须 **存在**，才可以设置成功，用于 **更新**。

除了 `set` 选项，`Redis` 还提供了 `setex` 和 `setnx` 两个命令：

> setex key seconds value  
> setnx key value

*  **setex**：设定键的值，并指定此键值对应的 **有效时间**。

127.0.0.1:6379> setex key1 5 value1
    OK
    127.0.0.1:6379> get key1
    "value1"
    127.0.0.1:6379> get key1
    (nil)

*  **setnx**：键必须 **不存在**，才可以设置成功。如果键已经存在，返回 `0`。

127.0.0.1:6379> set key2 value1
    OK
    127.0.0.1:6379> setnx key2 value2
    (integer) 1
    127.0.0.1:6379> get key2
    "value1"

#### 1.1.2. 获取值 ####

> get key

如果要获取的 **键不存在**，则返回 `nil`（**空**）。

127.0.0.1:6379> get not_exist_key
    (nil)

#### 1.1.3. 批量设置值 ####

> mset key value \[key value ...\]

下面操作通过 `mset` 命令一次性设置 `4` 个 **键值对**：

127.0.0.1:6379> mset a 1 b 2 c 3 d 4
    OK

#### 1.1.4. 批量获取值 ####

> mget key \[key ...\]

通过下面操作 **批量获取** 键 `a`、`b`、`c`、`d` 的值：

127.0.0.1:6379> mget a b c d
    1) "1"
    2) "2"
    3) "3"
    4) "4"

**批量操作** 命令，可以有效提高 **开发效率**，假如没有 `mget` 这样的命令，要执行 `n` 次 `get` 命令的过程和 **耗时** 如下：

> n次get时间 = n次网络时间 + n次命令时间

![12738336-f4eab7f92447cf4e][]

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使用 `mget` 命令后，执行 `n` 次 `get` 命令的过程和 **耗时** 如下：

> n次get时间 = 1次网络时间 + n次命令时间

![12738336-b16df5d5a60f0654][]

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`Redis` 可以支撑 **每秒数万** 的 **读写操作**，但这指的是 `Redis` **服务端** 的处理能力，对于 **客户端** 来说，一次命令除了 **命令时间** 还是有 **网络时间**。

假设 **网络时间** 为 `1` **毫秒**，命令时间为 `0.1` 毫秒（按照每秒处理 `1` 万条命令算），那么执行 `1000` 次 `get` 命令和 `1` 次 `mget` 命令的区别如表所示：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th style="text-align:left;">操作</th> 
   <th style="text-align:left;">时间</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:left;">1000次get操作</td> 
   <td style="text-align:left;">1000 * 1 + 1000 * 0.1 = 1100ms = 1.1s</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:left;">1次mget操作</td> 
   <td style="text-align:left;">1 * 1 + 1000 * 0.1 = 101ms = 0.101s</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 1.1.5. 计数 ####

> incr key

`incr` 命令用于对值做 **自增操作**，返回结果分为三种情况：

*  值不是 **整数**，返回 **错误**。
 *  值是 **整数**，返回 **自增** 后的结果。
 *  键不存在，按照值为 `0` **自增**，返回结果为 `1`。

127.0.0.1:6379> exists key
    (integer) 0
    127.0.0.1:6379> incr key
    (integer) 1

除了 `incr` 命令，`Redis` 还提供了 `decr`（**自减**）、`incrby`（**自增指定数字**）、`decrby`（**自减指定数字**）、`incrbyfloat`（**自增浮点数**）等命令操作：

> decr key  
> incrby key increment  
> decrby key decrement  
> incrbyfloat key increment

很多 **存储系统** 和 **编程语言** 内部使用 `CAS` 机制实现 **计数功能**，会有一定的 `CPU` 开销。但在 `Redis` 中完全不存在这个问题，因为 `Redis` 是 **单线程架构**，任何命令到了 `Redis` **服务端** 都要 **顺序执行**。

### 1.2. 不常用命令 ###

#### 1.2.1. 追加值 ####

> append key value

`append` 可以向 **字符串尾部** 追加值。

127.0.0.1:6379> get key
    "redis"
    127.0.0.1:6379> append key world
    (integer) 10
    127.0.0.1:6379> get key
    "redisworld"

#### 1.2.2. 字符串长度 ####

> strlen key

比如说，当前值为 `redisworld`，所以返回值为 `10`：

127.0.0.1:6379> get key
    "redisworld"
    127.0.0.1:6379> strlen key
    (integer) 10

#### 1.2.3. 设置并返回原值 ####

> getset key value

`getset` 和 `set` 一样会 **设置值**，但是不同的是，它同时会返回 **键原来的值**，例如：

127.0.0.1:6379> getset hello world
    (nil)
    127.0.0.1:6379> getset hello redis
    "world"

#### 1.2.4. 设置指定位置的字符 ####

> setrange key offeset value

下面操作将值由 `pest` 变为了 `best`：

127.0.0.1:6379> set redis pest
    OK
    127.0.0.1:6379> setrange redis 0 b
    (integer) 4
    127.0.0.1:6379> get redis
    "best"

#### 1.2.5. 获取部分字符串 ####

> getrange key start end

`start` 和 `end` 分别是 **开始** 和 **结束** 的 **偏移量**，**偏移量** 从 `0` 开始计算，例如获取值 `best` 的 **前两个字符** 的命令如下：

127.0.0.1:6379> getrange redis 0 1
    "be"

最后给出 **字符串** 类型命令的 **时间复杂度** 说明：

![12738336-4c58bdbfb3b39448][]

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## 2. 内部编码 ##

**字符串** 类型的 **内部编码** 有 `3` 种：

*  **int**：`8` 个字节的 **长整型**。
 *  **embstr**：**小于等于** `39` 个字节的字符串。
 *  **raw**：**大于** `39` 个字节的字符串。

`Redis` 会根据当前值的 **类型** 和 **长度** 决定使用哪种 **内部编码实现**。

*  **整数类型**

127.0.0.1:6379> set key 8653
    OK
    127.0.0.1:6379> object encoding key
    "int"

*  **短字符串**

#小于等于39个字节的字符串：embstr
    127.0.0.1:6379> set key "hello,world"
    OK
    127.0.0.1:6379> object encoding key
    "embstr"

*  **长字符串**

#大于39个字节的字符串：raw
    127.0.0.1:6379> set key "one string greater than 39 byte........."
    OK
    127.0.0.1:6379> object encoding key
    "raw"
    127.0.0.1:6379> strlen key
    (integer) 40

## 3. 典型使用场景 ##

### 3.1. 缓存功能 ###

下面是一种比较典型的 **缓存** 使用场景，其中 `Redis` 作为 **缓存层**，`MySQL` 作为 **存储层**，绝大部分请求的数据都是从 `Redis` 中获取。由于 `Redis` 具有支撑 **高并发** 的特性，所以缓存通常能起到 **加速读写** 和 **降低后端压力** 的作用。

![12738336-ab2f0f92878f158c][]

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整个功能的伪代码如下：

public UserInfo getUserInfo(long id) {
        String userRedisKey = "user:info:" + id;
        String value = redis.get(userRedisKey);
        UserInfo userInfo;    
        if (value != null) {
            userInfo = deserialize(value);     
        } else {        
            userInfo = mysql.get(id);   if (userInfo != null) { 
                redis.setex(userRedisKey, 3600, serialize(userInfo));
            }
            return userInfo;
        }
    }

### 3.2. 计数 ###

许多应用都会使用 `Redis` 作为 **计数** 的基础工具，它可以实现 **快速计数**、**查询缓存** 的功能，同时数据可以 **异步落地** 到其他 **数据源**。一般来说，视频播放数系统，就是使用 `Redis` 作为 **视频播放数计数** 的基础组件，用户每播放一次视频，相应的视频播放数就会自增 `1`。

public long incrVideoCounter (long id) {
        String key = "video:playCount:" + id;
        return redis.incr(key);
    }

> 实际上，一个真实的 **计数系统** 要考虑的问题会很多：**防作弊**、按照 **不同维度** 计数，**数据持久化** 到 **底层数据源**等。

### 3.3. 共享Session ###

一个 **分布式** `Web` 服务将用户的 `Session` 信息（例如 **用户登录信息**）保存在 **各自** 的服务器中。这样会造成一个问题，出于 **负载均衡** 的考虑，**分布式服务** 会将用户的访问 **均衡** 到不同服务器上，用户 **刷新一次访问** 可能会发现需要 **重新登录**，这个问题是用户无法容忍的。

![12738336-be6aaf68fbe1f686][]

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为了解决这个问题，可以使用 `Redis` 将用户的 `Session` 进行 **集中管理**。在这种模式下，只要保证 `Redis` 是 **高可用** 和 **扩展性的**，每次用户 **更新** 或者 **查询** 登录信息都直接从 `Redis` 中集中获取。

![12738336-6e6d07f00dd98b5a][]

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### 3.4. 限速 ###

很多应用出于安全的考虑，会在每次进行登录时，让用户输入 **手机验证码**，从而确定是否是用户本人。但是为了 **短信接口** 不被 **频繁访问**，会 **限制** 用户每分钟获取 **验证码** 的频率。例如一分钟不能超过 `5` 次，如图所示：

此功能可以使用 `Redis` 来实现，伪代码如下：

String phoneNum = "138xxxxxxxx";
    String key = "shortMsg:limit:" + phoneNum;
    // SET key value EX 60 NX
    boolean isExists = redis.set(key, 1, "EX 60", "NX");
    if (isExists != null || redis.incr(key) <= 5) {
        // 通过
    } else {
        // 限速
    }

上述就是利用 `Redis` 实现了 **限速功能**，例如 **一些网站** 限制一个 `IP` 地址不能在 **一秒钟之内** 访问超过 `n` 次也可以采用 **类似** 的思路。

# 小结 #

本文简单的介绍了 `Redis` 的 **字符串数据结构** 的 **基本命令**，**内部编码** 和 **相关应用场景**。

# 参考 #

《Redis 开发与运维》

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