Redis zset有序集合(底层原理+图解)

 
顾名思义,Redis zset(有序集合)中的成员是有序排列的,它和 set 集合的相同之处在于,集合中的每一个成员都是字符串类型,并且不允许重复;而它们最大区别是,有序集合是有序的,set 是无序的,这是因为有序集合中每个成员都会关联一个 double(双精度浮点数)类型的 score (分数值),Redis 正是通过 score 实现了对集合成员的排序。

zset 是 Redis 常用数据类型之一,它适用于排行榜类型的业务场景,比如 QQ 音乐排行榜、用户贡献榜等。在音乐排行榜单中,我们可以将歌曲的点击次数作为 score 值,把歌曲的名字作为 value 值,通过对 score 排序就可以得出歌曲“热度榜单”。

Redis 使用以下命令创建一个有序集合:
127.0.0.1:6379> ZADD key score member [score member ...]  
key:指定一个键名;
score:分数值,用来描述  member,它是实现排序的关键;
member:要添加的成员(元素)。

当 key 不存在时,将会创建一个新的有序集合,并把分数/成员(score/member)添加到有序集合中;当 key 存在时,但 key 并非 zset 类型,此时就不能完成添加成员的操作,同时会返回一个错误提示。

注意:在有序集合中,成员是唯一存在的,但是分数(score)却可以重复。有序集合的最大的成员数为 2^32 - 1 (大约 40 多亿个)。

认识有序集合

1) 压缩列表

有序集合(zset)同样使用了两种不同的存储结构,分别是 zipList(压缩列表)和 skipList(跳跃列表),当 zset 满足以下条件时使用压缩列表:
  • 成员的数量小于128 个;
  • 每个 member (成员)的字符串长度都小于 64 个字节。

下面对压缩列表做简单介绍,它由以下五部分组成,如图所示:

ziplist组成

上述每一部分在内存中都是紧密相邻的,并承担着不同的作用,介绍如下:
  • zlbytes 是一个无符号整数,表示当前 ziplist 占用的总字节数;
  • zltail 指的是压缩列表尾部元素相对于压缩列表起始元素的偏移量。
  • zllen 指 ziplist 中 entry 的数量。当 zllen 比2^16 - 2大时,需要完全遍历 entry 列表来获取 entry 的总数目。
  • entry 用来存放具体的数据项(score和member),长度不定,可以是字节数组或整数,entry 会根据成员的数量自动扩容。
  • zlend 是一个单字节的特殊值,等于 255,起到标识 ziplist 内存结束点的作用。

下面执行ZADD命令添加两个成员:xh(小红) 的工资是 3500.0;xm(小明) 的工资是 3200.0。
ZADD salary 3500.0 xh 3200.0 xm
上述成员在压缩列表中的布局,如下所示:

压缩列表结构

当 zset 使用压缩列表保存数据时,entry 的第一个节点保存 member,第二个节点保存 score。依次类推,集合中的所有成员最终会按照 score 从小到大排列。

2) 跳跃列表

当有序结合不满足使用压缩列表的条件时,就会使用 skipList 结构来存储数据。

跳跃列表(skipList)又称“跳表”是一种基于链表实现的随机化数据结构,其插入、删除、查找的时间复杂度均为 O(logN)。从名字可以看出“跳跃列表”,并不同于一般的普通链表,它的结构较为复杂,本节只对它做浅显的介绍,如有兴趣可自行研究。

在 Redis 中一个 skipList 节点最高可以达到 64 层,一个“跳表”中最多可以存储 2^64 个元素,每个节点都是一个 skiplistNode(跳表节点)。skipList 的结构体定义如下:
typedf struct zskiplist{
    //头节点
    struct zskiplistNode *header;
    //尾节点
    struct zskiplistNode *tail;
    // 跳表中的元素个数
    unsigned long length;
    //表内节点的最大层数
    int level;
}zskiplist;
  • header:指向 skiplist 的头节点指针,通过它可以直接找到跳表的头节点,时间复杂度为 O(1);
  • tail:指向 skiplist 的尾节点指针,通过它可以直接找到跳表的尾节点,时间复杂度为 O(1);
  • length:记录 skiplist 的长度,也就跳表中有多少个元素,但不包括头节点;
  • level:记录当前跳表内所有节点中的最大层数(level);

跳跃列表的每一层都是一个有序的链表,链表中每个节点都包含两个指针,一个指向同一层的下了一个节点,另一个指向下一层的同一个节点。最低层的链表将包含 zset 中的所有元素。如果说一个元素出现在了某一层,那么低于该层的所有层都将包含这个元素,也就说高层是底层的子集。 

通过以下示意图进一步认识 skiplist 结构。下图是一个上下共四层的跳跃列表结构:

跳跃列表结构
图1:跳跃列表示意图
 
跳跃列表中的每个节点都存储着 S:V(即 score/value),示意图显示了使用跳跃列表查找 S:V 节点的过程。跳跃列表的层数由高到低依次排列,最低层是 L0 层,最高层是 L3 层,共有 4 层。

图 1 所示,首先从最高层开始遍历找到第一个S:V节点,然后从此节点开始,逐层下降,通过遍历的方式找出每一层的 S:V 节点,直至降至最底层(L0)才停止。在这个过程中找到所有 S:V 节点被称为期望的节点。跳跃列表把上述搜索一系列期望节点的过程称为“搜索路径”,这个“搜索路径”由搜索到的每一层的期望节点组成,其本质是一个列表。

常用命令汇总

有序集合常用命令
命令 说明
ZADD key score1 member1 [score2 member2] 用于将一个或多个成员添加到有序集合中,或者更新已存在成员的 score 值
ZCARD key 获取有序集合中成员的数量
ZCOUNT key min max 用于统计有序集合中指定 score 值范围内的元素个数。
ZINCRBY key increment member 用于增加有序集合中成员的分值。
ZINTERSTORE destination numkeys key [key ...] 求两个或者多个有序集合的交集,并将所得结果存储在新的 key 中。
ZLEXCOUNT key min max 当成员分数相同时,计算有序集合中在指定词典范围内的成员的数量。
ZRANGE key start stop [WITHSCORES] 返回有序集合中指定索引区间内的成员数量。
ZRANGEBYLEX key min max [LIMIT offset count] 返回有序集中指定字典区间内的成员数量。
ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT] 返回有序集合中指定分数区间内的成员。
ZRANK key member 返回有序集合中指定成员的排名。
ZREM key member [member ...] 移除有序集合中的一个或多个成员。
ZREMRANGEBYLEX key min max 移除有序集合中指定字典区间的所有成员。
ZREMRANGEBYRANK key start stop 移除有序集合中指定排名区间内的所有成员。
ZREMRANGEBYSCORE key min max 移除有序集合中指定分数区间内的所有成员。
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES] 返回有序集中指定区间内的成员,通过索引,分数从高到低。
ZREVRANGEBYSCORE key max min [WITHSCORES] 返回有序集中指定分数区间内的成员,分数从高到低排序。
ZREVRANK key member 返回有序集合中指定成员的排名,有序集成员按分数值递减(从大到小)排序。
ZSCORE key member 返回有序集中,指定成员的分数值。
ZUNIONSTORE destination numkeys key [key ...] 求两个或多个有序集合的并集,并将返回结果存储在新的 key 中。
ZSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count] 迭代有序集合中的元素(包括元素成员和元素分值)。

基本命令演示

下面通过一组命令,让我们熟悉如何操作 zset 数据类型。以下示例是一个保存了员工薪水的有序集合:
#在有序集合中添加一个成员
127.0.0.1:6379> ZADD salary 4000 lucy
(integer) 1
#同时添加多个成员
127.0.0.1:6379> ZADD salary 5000 tom 6000 Helen 6500.50 Jack 3000 Smith
(integer) 4
#查询指定区间上的元素
127.0.0.1:6379> ZRANGE salary 0 4
1) "Smith"
2) "lucy"
3) "tom"
4) "Helen"
5) "Jack"
#降序查看指定区间上的元素
127.0.0.1:6379> ZREVRANGE salary 0 4
1) "Jack"
2) "Helen"
3) "tom"
4) "lucy"
5) "Smith"
#查看指定元素的分值
127.0.0.1:6379> ZSCORE salary lucy
"4000"
#查看所有元素和分值
127.0.0.1:6379> ZRANGE salary 0 4 WITHSCORES
1) "Smith"
2) "3000"
3) "lucy"
4) "4000"
5) "tom"
6) "5000"
7) "Helen"
8) "6000"
9) "Jack"
10) "6500.5"
#统计指定工资范围内的元素个数3000<=score<=5000
127.0.0.1:6379> ZCOUNT salary 3000 5000
(integer) 3
#表示3000<score<5000
127.0.0.1:6379> ZCOUNT salary (3000 (5000
(integer) 1
#返回指定工资范围内的score和成员,限制条件是跳过1个元素,返回2个元素。
127.0.0.1:6379> ZRANGEBYSCORE salary 3000 6000 WITHSCORES LIMIT 1 2
1) "lucy"
2) "4000"
3) "tom"
4) "5000"
#查看有序集合在指定字典区间内的成员的数
#其中 - 表示最小值,而 + 则表示最大值
127.0.0.1:6379> ZLEXCOUNT salary - +
(integer) 5
在线练习工具:https://try.redis.io/
查看更多命令:https://redis.io/commands

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