【Redis】基础结构（一）：String 类型命令、应用、原理

小灰灰 2022-10-22 10:49 107阅读 0赞

字符串 string 是Redis 最简单的数据结构。Redis 所有的数据结构都是以唯一的 key 字符串作为名称，然后通过这个唯一 key 值来获取相应的 value 数据。

### 1.常用命令 ###

**1.增（set）**

set key value 						// 存入字符串键值对
    mset key value [key value...] 	    // 批量存储字符串键值对
    setnx key value 					// 存入一个不存在的键值对（只有当前key不存在时才能增加成功）

**2.删除与过期**

del key [key...]					// 删除一个键
    expire key seconds 				    // 设置过期时间（秒）

**3.原子操作**

incr key 							 // 将key中存储的数字加1
    incrby key increment 				 // 将key锁存储的值加上increment
    
    decr key							 // 将key中存储的数字减1
    decr key decrement                   // 将key所存储的值减去decrement

**4.查（get）**

get key                               // 获取一个字符串的键值
    mget key [key...]					  // 批量获取字符串键值

### 2.应用示例 ###

**1.对象缓存**

*  方式一：利用set命令，一次将对象的json字符串存入

set user:1 value（对象的json字符串）

*  方式二：利用mset将对象的各个字段分开存储。这种方案更加灵活，可以对指定字段进行操作

mset user:1:name zhangsan user:1:age 18
    mget user:1:name ~~ user:1:age ~~

**2.简单分布式锁**

通过setnx只能新增不存在的可以进行简单的分布式锁

> PS：分布式锁问题就是放大版的单机线程同步问题，这不过这里不再是一个个线程，而是一台台独立的服务器（进程）。

setnx product true 			// 进程一设置成功 == 获取到锁
    setnx product true 			// 进程二再来时设置失败 == 阻塞
    
    ......						// 操作临界资源
    
    del product 				// 进程一释放锁

注意：一般最好设置过期时间来避免死锁

set product true ex 10 nx 	// 过期时间=10s

**3.计数器**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

incr article:readcount:{文章id}
    get article:readcount:{文章id}

**4.Web集群Session共享**

spring session + redis 实现session共享

### 3.存储原理 ###

字符串类型的内部编码有三种：

*  int：存储 8 个字节的长整型（long，2^63-1）
 *  embstr：代表 embstr 格式的 SDS， 存储小于 44 个字节的字符串
 *  raw：代表 raw 格式的 SDS，存储大于 44 个字节的字符串（3.2 版本之前是 39 字节）

Redis 使用 C 语言编写，但是并没有直接使用 C 语言自带的字符串，而是使用了 SDS 来管理字符串。SDS 全称 Simple Dynamic String，即简单动态字符串。SDS 组成部分如下：

/* sds.h */
    struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
        
    
    	/* 当前字符数组的长度 */
        uint8_t len; 
        /* 表示 buf 中的空闲的空间大小 */
        uint8_t free; 
        /* 当前字符数组的属性、用来标识到底是 sdshdr8 还是 sdshdr16 等 */
        unsigned char flags; 
        /* char 类型的数组，用于存储实际字符串的内容 */
        char buf[]; 
        
    };

> 注：在 3.2 以后的版本中，SDS 又有多种结构（sds.h）：sdshdr5、sdshdr8、sdshdr16、sdshdr32、sdshdr64，用于存储不同的长度的字符串，分别代表 `2^5=32byte， 2^8=256byte，2^16=65536byte=64KB，2^32byte=4GB`。

来看 SDS 的简单示意图：  
![img][]

**问题一**：为什么 Redis 要用 SDS 实现字符串？

我们知道，C 语言本身没有字符串类型（只能用字符数组 char\[\]实现）

*  使用字符数组必须先给目标变量分配足够的空间，否则可能会溢出。
 *  如果要获取字符长度，必须遍历字符数组，时间复杂度是 O(n)。
 *  C 字符串长度的变更会对字符数组做内存重分配。
 *  通过从字符串开始到结尾碰到的第一个’\\0’来标记字符串的结束，因此不能保存图片、音频、视频、压缩文件等二进制(bytes)保存的内容，二进制不安全。

SDS 的特点：

*  不用担心内存溢出问题，如果需要会对 SDS 进行扩容。
 *  获取字符串长度时间复杂度为 O(1)，因为定义了 len 属性。
 *  通过“空间预分配”（ sdsMakeRoomFor）和“惰性空间释放”，防止多次重分配内存。
 *  判断是否结束的标志是 len 属性（它同样以’\\0’结尾是因为这样就可以使用 C 语言中函数库操作字符串的函数了），可以包含’\\0’。

空间预分配：；SDS 会预先分配一部分空闲空间，当字符串内容添加时不需要做空间申请的工作  
![img][img 1]

空间惰性释放：当字符串从 buf 数组中移除时，空闲出来的空间不会立马被内存回收，防止新增字符串的内容写入时空间不够而临时申请空间  
![img][img 2]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>C 字符串</th> 
   <th>SDS</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>获取字符串长度的复杂度为 O(N)</td> 
   <td>获取字符串长度的复杂度为 O(1)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>API 是不安全的，可能会造成缓冲区溢出</td> 
   <td>API 是安全的，不会早晨个缓冲区溢出</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>修改字符串长度 N 次必然需要执行 N 次内存重分配</td> 
   <td>修改字符串长度 N 次最多需要执行 N 次内存重分配</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>只能保存文本数据</td> 
   <td>可以保存文本或者二进制数据</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>可以使用所有库中的函数</td> 
   <td>可以使用一部分库中的函数</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**问题二**： embstr 和 raw 的区别？

embstr 的使用只分配一次内存空间（因为 RedisObject 和 SDS 是连续的），而 raw 需要分配两次内存空间（分别为 RedisObject 和 SDS 分配空间）。

因此与 raw 相比，embstr 的好处在于创建时少分配一次空间，删除时少释放一次空间，以及对象的所有数据连在一起，寻找方便。 而 embstr 的坏处也很明显，如果字符串的长度增加需要重新分配内存时，整个 RedisObject 和 SDS 都需要重新分配空间，因此 Redis 中的 embstr 实现为只读。

**问题三**：int 和 embstr 什么时候转化为 raw？

当 int 数 据 不 再 是 整 数 ， 或大小超过了 long 的范围 （2^63-1=9223372036854775807）时，自动转化为 embstr。

127.0.0.1:6379> set k1 1
    OK
    127.0.0.1:6379> append k1 a
    (integer) 2
    127.0.0.1:6379> object encoding k1
    "raw"

**问题四**：明明没有超过阈值，为什么变成 raw？

127.0.0.1:6379> set k2 a
    OK
    127.0.0.1:6379> object encoding k2
    "embstr" 
    127.0.0.1:6379> append k2 b
    (integer) 2
    127.0.0.1:6379> object encoding k2
    "raw"

对于 embstr，由于其实现是只读的，因此在对 embstr 对象进行修改时，都会先转化为 raw 再进行修改。 因此，只要是修改 embstr 对象，修改后的对象一定是 raw 的，无论是否达到了 44 个字节。

**问题五**：当长度小于阈值时，会还原吗？

关于 Redis 内部编码的转换，都符合以下规律：编码转换在 Redis 写入数据时完成，且转换过程不可逆，只能从小内存编码向大内存编码转换（但是不包括重新 set）

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221022/f5323a4e5be14f249c32076811202f15.png
[img]: /images/20221022/abb9aa8c89c040e2bb591fa42cae1252.png
[img 1]: /images/20221022/c8feda2b56a24f73a86957a3b173a70a.png
[img 2]: /images/20221022/f526b915783748a89868c070963bcdca.png