Redis数据结构及简单操作指令

# Redis数据结构及简单操作指令

## 一、Redis简介

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的、基于内存的键值存储系统，由Salvatore Sanfilippo开发。它支持多种数据结构，包括字符串（String）、哈希（Hash）、列表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）等。Redis以其高性能、丰富的数据结构和原子操作而闻名，广泛应用于缓存、消息队列、实时分析等场景。

### 核心特性
- **内存存储**：数据主要存储在内存中，读写速度极快
- **持久化支持**：提供RDB和AOF两种持久化机制
- **数据结构丰富**：支持5种基础数据结构及扩展类型
- **原子操作**：所有操作都是原子性的
- **高可用**：支持主从复制和哨兵模式
- **分布式**：通过Redis Cluster实现分布式存储

## 二、基础数据结构及操作

### 1. 字符串（String）

#### 数据结构特点
- 最基本的键值类型
- 二进制安全，可包含任何数据
- 最大能存储512MB

#### 常用指令

```redis
# 设置键值
SET key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]
示例: SET username "john" EX 60  # 设置60秒过期

# 获取值
GET key
示例: GET username

# 批量操作
MSET key1 value1 key2 value2
MGET key1 key2

# 数值增减
INCR key       # 值+1
DECR key       # 值-1
INCRBY key increment  # 增加指定数值
DECRBY key decrement  # 减少指定数值

# 位操作
SETBIT key offset value
GETBIT key offset
BITCOUNT key [start end]

2. 哈希（Hash）

数据结构特点

• 键值对集合，适合存储对象
• 每个Hash可存储2^32-1个键值对
• 适合存储结构化数据

常用指令

# 设置字段值
HSET key field value
示例: HSET user:1000 name "Alice" age 30

# 获取字段值
HGET key field
HGETALL key    # 获取所有字段

# 批量操作
HMSET key field1 value1 field2 value2
HMGET key field1 field2

# 删除字段
HDEL key field

# 其他操作
HEXISTS key field  # 检查字段是否存在
HKEYS key         # 获取所有字段名
HVALS key         # 获取所有字段值
HLEN key          # 获取字段数量

3. 列表（List）

数据结构特点

• 有序元素集合
• 可充当栈或队列使用
• 最大长度2^32-1

常用指令

# 添加元素
LPUSH key value [value ...]  # 左侧插入
RPUSH key value [value ...]  # 右侧插入

# 获取元素
LRANGE key start stop  # 获取范围元素
示例: LRANGE mylist 0 -1  # 获取所有元素

# 弹出元素
LPOP key    # 左侧弹出
RPOP key    # 右侧弹出

# 阻塞操作
BLPOP key [key ...] timeout  # 阻塞式左侧弹出
BRPOP key [key ...] timeout  # 阻塞式右侧弹出

# 其他操作
LLEN key       # 获取列表长度
LINDEX key index  # 获取指定位置元素
LTRIM key start stop  # 修剪列表

4. 集合（Set）

数据结构特点

• 无序唯一元素集合
• 支持交并差集运算
• 最大成员数2^32-1

常用指令

# 添加成员
SADD key member [member ...]

# 获取成员
SMEMBERS key    # 获取所有成员
SCARD key       # 获取成员数量

# 集合运算
SINTER key [key ...]    # 交集
SUNION key [key ...]    # 并集
SDIFF key [key ...]     # 差集

# 其他操作
SISMEMBER key member  # 判断是否成员
SREM key member [member ...]  # 删除成员
SPOP key [count]      # 随机移除成员
SRANDMEMBER key [count]  # 随机获取成员

5. 有序集合（Sorted Set/ZSet）

数据结构特点

• 有序唯一成员集合
• 每个成员关联一个分数(score)
• 按分数排序，分数可相同

常用指令

# 添加成员
ZADD key [NX|XX] [CH] [INCR] score member [score member ...]
示例: ZADD leaderboard 100 "Alice" 90 "Bob"

# 获取成员
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]  # 按分数升序
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]  # 按分数降序

# 范围查询
ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]
ZREVRANGEBYSCORE key max min [WITHSCORES] [LIMIT offset count]

# 其他操作
ZCARD key       # 获取成员数量
ZSCORE key member  # 获取成员分数
ZRANK key member   # 获取成员排名(升序)
ZREVRANK key member  # 获取成员排名(降序)
ZREM key member [member ...]  # 删除成员

三、高级数据结构

1. 位图（Bitmap）

数据结构特点

• 基于String类型的位操作
• 节省空间，适合布尔型数据
• 支持AND/OR/XOR等位运算

常用指令

SETBIT key offset value  # 设置位
GETBIT key offset        # 获取位
BITCOUNT key [start end] # 统计置1的位数
BITOP operation destkey key [key ...]  # 位运算

2. HyperLogLog

数据结构特点

• 用于基数统计
• 固定使用12KB内存
• 标准误差0.81%

常用指令

PFADD key element [element ...]  # 添加元素
PFCOUNT key [key ...]   # 统计基数
PFMERGE destkey sourcekey [sourcekey ...]  # 合并多个HLL

3. 地理空间（GEO）

数据结构特点

• 基于Sorted Set实现
• 存储经纬度信息
• 支持距离计算

常用指令

GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member ...]
GEODIST key member1 member2 [unit]
GEOPOS key member [member ...]
GEORADIUS key longitude latitude radius unit [WITHCOORD] [WITHDIST] [COUNT count]

四、键管理指令

通用键操作

# 键查询
KEYS pattern   # 查找匹配的键(生产环境慎用)
SCAN cursor [MATCH pattern] [COUNT count]  # 安全遍历

# 键删除
DEL key [key ...]   # 删除键
UNLINK key [key ...] # 异步删除(Redis 4.0+)

# 过期控制
EXPIRE key seconds   # 设置过期时间(秒)
TTL key       # 查看剩余时间
PERSIST key   # 移除过期时间

# 其他
EXISTS key [key ...]  # 检查键是否存在
TYPE key      # 获取键类型
RENAME key newkey  # 重命名键

五、事务与流水线

事务操作

MULTI     # 开始事务
SET key1 value1
SET key2 value2
EXEC      # 执行事务
DISCARD   # 取消事务

流水线(Pipeline)

# 客户端示例(伪代码)
pipeline = redis.pipeline()
pipeline.set('key1', 'value1')
pipeline.get('key2')
results = pipeline.execute()

六、Lua脚本

Redis支持通过Lua脚本执行复杂操作：

EVAL "return redis.call('GET', KEYS[1])" 1 mykey
EVALSHA sha1 numkeys key [key ...] arg [arg ...]
SCRIPT LOAD "lua_script_code"
SCRIPT EXISTS sha1 [sha1 ...]
SCRIPT FLUSH
SCRIPT KILL

七、实际应用示例

1. 缓存实现

# 设置缓存
SET user:1000 "{name:'Alice',age:30}" EX 3600

# 获取缓存
GET user:1000

2. 计数器系统

INCR page:views:today
GET page:views:today

3. 消息队列

# 生产者
LPUSH notifications "message1"

# 消费者
BRPOP notifications 30

4. 排行榜实现

ZADD leaderboard 100 "player1"
ZADD leaderboard 90 "player2"
ZREVRANGE leaderboard 0 9 WITHSCORES

八、性能优化建议

1. 合理选择数据结构：根据场景选择最合适的数据结构
2. 控制键数量：使用Hash代替大量小键
3. 批量操作：使用MSET/MGET等批量命令减少网络开销
4. Pipeline：合并多个命令减少RTT
5. 避免大键：单个键值不宜过大(建议<1MB)
6. 合理设置过期时间：避免内存浪费
7. 使用SCAN代替KEYS：避免阻塞

九、总结

Redis的丰富数据结构使其能够灵活应对各种场景需求。通过掌握这些基础数据结构和操作指令，开发者可以构建高性能的Redis应用。在实际使用中，应根据具体业务场景选择最合适的数据结构，并注意性能优化和资源管理。

注意：本文介绍的指令基于Redis 6.x版本，不同版本可能存在差异。生产环境建议参考官方文档确认指令可用性。 “`

这篇文章共计约3300字，详细介绍了Redis的各类数据结构及其操作指令，包含基础类型、高级数据结构、键管理、事务等内容，并提供了实际应用示例和优化建议。采用Markdown格式编写，结构清晰，便于阅读和参考。