Redis資料結構實戰演練，看看微網誌、微信、購物車、抽獎小程式是如何使用的？

大家都知道，現在隻要是個系統就會有緩存的存在，而且幾乎所有的系統都離不開Redis，可見Redis在現在系統的重要性。

是以，今天我們就來聊一下Redis，當然主要聊聊Redis在不同業務場景下的使用。

接下來，我們先從緩存的世界開始，一步步揭開Redis的神秘面紗。

1. 緩存發展史&緩存分類

1.1 大型網站中緩存的使用

通路量越大，響應力越差，使用者體驗越差

引入緩存、示意圖如下：

高性能 ：

假如使用者第一次通路資料庫中的某些資料的話，這個過程是比較慢，畢竟是從硬碟中讀取的。但是，如果說，使用者通路的資料屬于高頻資料并且不會經常改變的話，那麼我們就可以很放心地将該使用者通路的資料存在緩存中。

這樣有什麼好處呢？ 那就是保證使用者下一次再通路這些資料的時候就可以直接從緩存中擷取了。操作緩存就是直接操作記憶體，是以速度相當快。

不過，要保持資料庫和緩存中的資料的一緻性。 如果資料庫中的對應資料改變的之後，同步改變緩存中相應的資料即可！

高并發：

一般像 MySQL 這類的資料庫的 QPS 大概都在 1w 左右（4 核 8g） ，但是使用 Redis 緩存之後很容易達到 10w+，甚至最高能達到 30w+（就單機 redis 的情況，redis 叢集的話會更高）。

QPS（Query Per Second）：伺服器每秒可以執行的查詢次數；

是以，直接操作緩存能夠承受的資料庫請求數量是遠遠大于直接通路資料庫的，是以我們可以考慮把資料庫中的部分資料轉移到緩存中去，這樣使用者的一部分請求會直接到緩存這裡而不用經過資料庫。進而，我們也就提高的系統整體的并發。

1.2 常見緩存的分類

分布式緩存

分布式緩存主要解決的是單機緩存的容量受伺服器限制并且無法儲存通用的資訊。因為，本地緩存隻在目前服務裡有效，比如如果你部署了兩個相同的服務，他們兩者之間的緩存資料是無法共同的。

具有緩存功能的中間件：Redis、Memcache、Tair（阿裡 、美團）等等

1.3 分布式緩存選型方案對比

Memcache和Redis差別

共同點 ：

1. 都是基于記憶體的資料庫，一般都用來當做緩存使用。
2. 都有過期政策。
3. 兩者的性能都非常高。

差別 ：

1. Redis 支援更豐富的資料類型（支援更複雜的應用場景）。Redis 不僅僅支援簡單的 k/v 類型的資料，同時還提供 list，set，zset，hash 等資料結構的存儲。Memcached 隻支援最簡單的 k/v 資料類型。
2. Redis 支援資料的持久化，可以将記憶體中的資料保持在磁盤中，重新開機的時候可以再次加載進行使用,而 Memecache 把資料全部存在記憶體之中。
3. Redis 有災難恢複機制。 因為可以把緩存中的資料持久化到磁盤上。
4. Memcached 沒有原生的叢集模式，需要依靠用戶端來實作往叢集中分片寫入資料；但是 Redis 目前是原生支援 cluster 模式的.
5. Memcached 是多線程，非阻塞 IO 複用的網絡模型；Redis 使用單線程的多路 IO 複用模型。 （Redis 6.0 引入了多線程 IO ）

相信看了上面的對比之後，我們已經沒有什麼理由可以選擇使用 Memcached 來作為自己項目的分布式緩存了。

2. Redis概述&安裝配置

2.1 概述

官網：​​redis.io​​

中文官網位址：​​www.redis.cn​​

簡單來說 Redis 就是一個使用 C 語言開發的資料庫，不過與傳統資料庫不同的是 Redis 的資料是存在記憶體中的 ，也就是它是記憶體資料庫，是以讀寫速度非常快，是以 Redis 被廣泛應用于緩存方向。

另外，Redis 除了做緩存之外，Redis 也經常用來做分布式鎖，甚至是消息隊列。

Redis 提供了多種資料類型來支援不同的業務場景。Redis 還支援事務 、持久化、Lua 腳本、多種叢集方案。

Redis應用場景

• 緩存使用，減輕DB壓力
• DB使用，用于臨時存儲資料（字典表，購買記錄）
• 解決分布式場景下Session分離問題（登入資訊）
• 任務隊列（秒殺、搶紅包等等） 樂觀鎖
• 應用排行榜 zset
• 簽到 bitmap
• 分布式鎖
• 冷熱資料交換

2.3 安裝&配置

官網：​​redis.io/download​​

Redis沒有官方的windows版本，是以建議在linux系統上去運作

選擇下載下傳穩定版本、不穩定版本可以嘗鮮、但是不推薦在生産環境中使用

安裝

第一步：安裝 C 語言需要的 GCC 環境

yum install -y gcc-c++
yum install -y wget      

第二步：下載下傳并解壓縮 Redis 源碼壓縮包

# 下載下傳
wget https://download.redis.io/releases/redis-6.2.4.tar.gz
mkdir /usr/local/redis
    tar -zxvf redis-6.2.4.tar.gz -C /usr/local/redis      

第三步：編譯 Redis 源碼，進入 redis-6.2.4 目錄，執行編譯指令,進行安裝

cd  /usr/local/redis/redis-6.2.4/src
make && make install      

執行完畢後安裝成功！

啟動

前端啟動

• 啟動指令： redis-server ，直接運作 bin/redis-server 将以前端模式啟動
• 關閉指令： ctrl+c
• 啟動缺點：用戶端視窗關閉則 redis-server 程式結束，不推薦使用此方法
• 啟動圖例：

後端啟動（守護程序啟動）

• 第一步：拷貝 redis-6.2.4/redis.conf 配置檔案到 Redis 安裝目錄的 bin 目錄

cp redis.conf /usr/local/redis      

• 第二步：修改 redis.conf

vim redis.conf      

• 第三步：修改 redis.conf

（1）修改daemonize no ---> daemonize yes，目的是為了讓redis啟動在linux背景運作

（2）修改redis的工作目錄：（名稱随意）

• 第四步：啟動服務

.redis-server redis.conf      

檢視程序

• 後端啟動的關閉方式

.redis-cli shutdown      

指令說明

redis-server ：啟動 redis 服務

redis-cli ：進入 redis 指令用戶端

redis-benchmark ： 性能測試的工具

redis-check-aof ： aof 檔案進行檢查的工具

redis-check-dump ： rdb 檔案進行檢查的工具

redis-sentinel ： 啟動哨兵監控服務

Redis指令行用戶端

• 指令格式

.redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379      

• 參數說明

-h：redis伺服器的ip位址
-p：redis執行個體的端口号      

• 預設方式：如果不指定主機和端口也可以 預設主機位址是127.0.0.1 預設端口是6379

.redis-cli      

2.4 ui

指令行已經足夠強大，尤其是高版本，強大到懷疑人生

但是！它并不友好，業界有很多ui可供使用，典型的：Another Redis Desktop Manager

1）開源

源碼位址：​​gitee.com/qishibo/Ano…​​

編譯包下載下傳：​​github.com/qishibo/Ano…​​

2）支援多平台

Windows

Linux

Mac

3）基本使用

建立連接配接：

首頁監控：

基本操作：

指令行：

3. 資料類型選擇&應用場景

Redis的Key的設計

1、key名設計

可讀性和可管理性

以業務名(或資料庫名)為字首(防止key沖突)，用冒号分隔，比如 業務名:表名:id

簡潔性

保證語義的前提下，控制key的長度，當key較多時，記憶體占用也不容忽視，例如：

不要包含特殊字元

反例：包含空格、換行、單雙引号以及其他轉義字元

string字元串類型

1. 介紹 ：string 資料結構是簡單的 key-value 類型。雖然 Redis 是用 C 語言寫的，但是 Redis 并沒有使用 C 的字元串表示，而是自己建構了一種 簡單動态字元串（simple dynamic string，SDS）。相比于 C 的原生字元串，Redis 的 SDS 不光可以儲存文本資料還可以儲存二進制資料，并且擷取字元串長度複雜度為 O(1)（C 字元串為 O(N)）,除此之外,Redis 的 SDS API 是安全的，不會造成緩沖區溢出。
2. 常用指令: ​

   ​set,get,strlen,exists,decr,incr,setex​

   ​ 等等。
3. 應用場景 ：一般常用在需要計數的場景，比如使用者的通路次數、熱點文章的點贊轉發數量等等。

• 單值緩存

  SET key  value

  GET key

• 對象緩存

  MSET user:1:name zimu user:1:balance 1888

  MGET user:1:name user:1:balance

• 分布式鎖（「SET if Not eXists」）

  SETNX product:10001 true // 傳回1代表擷取鎖成功

  SETNX product:10001 false // 傳回0代表擷取鎖失敗

  .......執行業務操作

  DEL product:10001 // 執行完業務 釋放鎖

  SET product:10001 true ex 10 nx // 防止程式意外終止導緻死鎖

• 計數器

  INCR article:readcount:101

hash類型（散清單）

1. 介紹 ：hash 類似于 JDK1.8 前的 HashMap，内部實作也差不多(數組 + 連結清單)。不過，Redis 的 hash 做了更多優化。另外，hash 是一個 string 類型的 field 和 value 的映射表，特别适合用于存儲對象，後續操作的時候，你可以直接僅僅修改這個對象中的某個字段的值。 比如我們可以 hash 資料結構來存儲使用者資訊，商品資訊等等。
2. 常用指令： ​

   ​hset,hmset,hexists,hget,hgetall,hkeys,hvals​

   ​ 等。
3. 應用場景: 系統中對象資料的存儲。

• 對象緩存

  HMSET user {userId}:username zhangfei {userId}:password 123456

  HMSET user 1:username zhangfei 1:password 123456

  HMGET user 1:username 1:password

• 電商購物車

• 購物車操作

  1）添加商品 ---> hset cart:1001 10088 1

1. 增加數量 ---> hincrby cart:1001 10088 1

3） 商品總數 ---> hlen cart:1001

4） 删除商品---> hdel cart:1001 10088

5）擷取購物車所有商品---> hgetall cart:1001

優點：

1）同類資料歸類整合儲存，友善資料管理

2）相比String操作消耗記憶體和cpu更小

3）相比String儲存 更節省空間

缺點：

1）過期功能不能使用在field上，隻能用在key上

2）Redis叢集架構下不适合大規模使用

list清單類型

1. 介紹 ：list 即是 連結清單。連結清單是一種非常常見的資料結構，特點是易于資料元素的插入和删除并且且可以靈活調整連結清單長度，但是連結清單的随機通路困難。許多進階程式設計語言都内置了連結清單的實作比如 Java 中的 LinkedList，但是 C 語言并沒有實作連結清單，是以 Redis 實作了自己的連結清單資料結構。Redis 的 list 的實作為一個 雙向連結清單，即可以支援反向查找和周遊，更友善操作，不過帶來了部分額外的記憶體開銷。
2. 常用指令: ​

   ​rpush,lpop,lpush,rpop,lrange、llen​

   ​ 等。
3. 應用場景: 釋出與訂閱或者說消息隊列、慢查詢。

• 常用資料結構

  Stack（棧）= LPUSH（左邊放） + LPOP（左邊取） --> FILO

  Quece（隊列）= LPUSH（左邊放） + RPOP右邊取）

  BLocking MQ（阻塞隊列）= LPUSH（左邊放） + BRPOP（右邊阻塞取：沒有資料就阻塞！）

• 微網誌、朋友圈、公衆号等，關注的文章清單展示

子慕老師關注了北京本地寶 ，京城美味君等公衆号，這些訂閱号釋出消息時，通過推或拉的方式把消息LPUSH放入redis中屬于小明的list中。其中key為msg:{小明_ID}。當小明要擷取大V們發的消息時，使用LRANGE 指令從隊列中擷取指定個數的訂閱号資訊

1）京城美味君發動态，消息ID為10001

LPUSH msg:{zimu-ID} 10001

2）北京本地寶發動态，消息ID為10002

LPUSH msg:{zimu-ID} 10002

3）檢視最新訂閱号消息

LRANGE msg:{zimu-ID} 0 4

set集合類型

1. 介紹 ： set 類似于 Java 中的 ​

   ​HashSet​

   ​ 。Redis 中的 set 類型是一種無序集合，集合中的元素沒有先後順序。當你需要存儲一個清單資料，又不希望出現重複資料時，set 是一個很好的選擇，并且 set 提供了判斷某個成員是否在一個 set 集合内的重要接口，這個也是 list 所不能提供的。可以基于 set 輕易實作交集、并集、差集的操作。比如：你可以将一個使用者所有的關注人存在一個集合中，将其所有粉絲存在一個集合。Redis 可以非常友善的實作如共同關注、共同粉絲、共同喜好等功能。這個過程也就是求交集的過程。
2. 常用指令： ​

   ​sadd,spop,smembers,sismember,scard,sinterstore,sunion​

   ​ 等。
3. 應用場景: 需要存放的資料不能重複以及需要擷取多個資料源交集和并集等場景

• 微信抽獎小程式

1）點選 參與抽獎 加入集合

SADD key {userID}

2）檢視排行榜

SMEMBERS key

3）抽取count名中獎者

SRANDMEMBER key [count] / SPOP key [count]

• 集合操作實作微網誌、微信關注模型

首先了解一下set的集合操作，假如有三個集合

交集為：SINTER set1 set2 set3 ==> { c }

并集為：SUNION set1 set2 set3 ==> { a,b,c,d,e }

差集為：SDIFF set1 set2 set3 ==> { a }

差集計算方式：set1 - （set2并set3） = {a、b、c} - {b、c、d、e} = {a} 隻保留a中單獨存在的元素

共同關注A的人：可以用交集來實作

我可能認識的人：可以使用差集來實作，把我關注的人求差集

sortedset有序集合類型

1. 介紹： 和 set 相比，sorted set 增加了一個權重參數 score，使得集合中的元素能夠按 score 進行有序排列，還可以通過 score 的範圍來擷取元素的清單。有點像是 Java 中 HashMap 和 TreeSet 的結合體。
2. 常用指令： ​

   ​zadd,zcard,zscore,zrange,zrevrange,zrem​

   ​ 等。
3. 應用場景： 需要對資料根據某個權重進行排序的場景。比如在直播系統中，實時排行資訊包含直播間線上使用者清單，各種禮物排行榜，彈幕消息（可以了解為按消息次元的消息排行榜）等資訊。

• Zset集合操作實作排行榜

1. 點選新聞，為其分值+1

ZINCRBY hotNews:20210707 1 iphone13或有日落金玫瑰金

2）展示當日排行前10

ZREVRANGE hotNews:20210707 0 ，9 WITHSCORES

bitmap位圖 類型

1. 介紹 ： bitmap 存儲的是連續的二進制數字（0 和 1），通過 bitmap, 隻需要一個 bit 位來表示某個元素對應的值或者狀态，key 就是對應元素本身 。我們知道 8 個 bit 可以組成一個 byte，是以 bitmap 本身會極大的節省儲存空間。

2. 常用指令： ​

​setbit​

​​ 、​

​getbit​

​​ 、​

​bitcount​

​​、​

​bitop​

​

1. 應用場景: 适合需要儲存狀态資訊（比如是否簽到、是否登入...）并需要進一步對這些資訊進行分析的場景。比如使用者簽到情況、活躍使用者情況、使用者行為統計（比如是否點贊過某個視訊）。

# SETBIT 會傳回之前位的值（預設是 0）這裡會生成 7 個位
127.0.0.1:6379> setbit mykey 7 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit mykey 7 0
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit mykey 7
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit mykey 6 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit mykey 8 1
(integer) 0
# 通過 bitcount 統計被被設定為 1 的位的數量。
127.0.0.1:6379> bitcount mykey
(integer) 2Copy to clipboardErrorCopied      

針對上面提到的一些場景，這裡進行進一步說明。

使用場景一：使用者行為分析 很多網站為了分析你的喜好，需要研究你點贊過的内容。

# 記錄你喜歡過 001 号小姐姐
127.0.0.1:6379> setbit beauty_girl_001 uid 1      

使用場景二：統計活躍使用者

面試題：現在系統有億級的活躍使用者，為了增強使用者粘性，該如何實作簽到、日活統計？      

使用時間作為 key，然後使用者 ID 為 offset，如果當日活躍過就設定為 1

那麼我該如果計算某幾天/月/年的活躍使用者呢(暫且約定，統計時間内隻有有一天線上就稱為活躍)，有請下一個 redis 的指令

# 對一個或多個儲存二進制位的字元串 key 進行位元操作，并将結果儲存到 destkey 上。
# BITOP 指令支援 AND 、 OR 、 NOT 、 XOR 這四種操作中的任意一種參數
BITOP operation destkey key [key ...]      

初始化資料：

127.0.0.1:6379> setbit 20210308 1 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit 20210308 2 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit 20210309 1 1
(integer) 0      

統計 20210308~20210309 總活躍使用者數: 1

127.0.0.1:6379> bitop and desk1 20210308 20210309
(integer) 1
127.0.0.1:6379> bitcount desk1
(integer) 1      

統計 20210308~20210309 線上活躍使用者數: 2

127.0.0.1:6379> bitop or desk2 20210308 20210309
(integer) 1
127.0.0.1:6379> bitcount desk2
(integer) 2      

geo地理位置類型

概述

Redis 3.2 中增加了對GEO類型的支援。GEO，Geographic，地理資訊的縮寫。該類型，就是元素的2維坐标，在地圖上就是經緯度。redis基于該類型，提供了經緯度設定，查詢，範圍查詢，距離查詢，經緯度Hash等常見操作

應用場景：附近的人、搖一搖、附近的車、附近銀行站點查詢

環境要求

1. redis版本需要3.2及以上
2. 如果使用jedis操作redis，需要jedis版本為2.9及以上
3. 如果使用spring data redis操作redis，需要spring data redis版本為1.8.0及以上

redis GEO常用指令

Tips：在學習geo指令時會使用到經緯度坐标資訊，可以在百度地圖的拾取坐标系統中擷取測試坐标資訊，網址：​​api.map.baidu.com/lbsapi/getp…​​

1. geoadd指令

為了進行地理位置相關操作， 我們首先需要将具體的地理位置記錄起來， 這一點可以通過執行 geoadd 指令來完成， 該指令的基本格式如下：

GEOADD location-set longitude latitude name [longitude latitude name ...]      

此指令用于添加位置資訊到集合中

以下代碼展示了如何通過 GEOADD 指令， 将武漢、襄陽、宜昌、枝江、鹹甯等數個湖北省的市添加到位置集合 hubeiCities 集合裡面

此處添加武漢的坐标資訊到hubeiCities集合中

geoadd hubeiCities 114.32538 30.534535 wuhan      

此處添加襄陽、枝江、鹹甯的坐标資訊到hubeiCities集合中

geoadd hubeiCities 112.161882 32.064505 xiangyang 111.305197 30.708127 yichang 111.583717 30.463363 zhijiang 114.295174 29.885892 xianning      

2. geopos指令

此指令用于根據輸入的位置名稱擷取位置的坐标資訊，基本文法如下

GEOPOS location-set name [name ...]      

案例：查詢襄陽市的位置資訊

geopos hubeiCities xiangyang
--結果如下【1為經度 2為緯度】
1) "112.16188341379165649"
2) "32.06450528704699821"      

也可以一次查詢多個位置的經緯度

geopos hubeiCities xiangyang wuhan
--襄陽的經緯度
1) 1) "112.16188341379165649"
   2) "32.06450528704699821"
--武漢的經緯度
2) 1) "114.32538002729415894"
   2) "30.53453492166421057"      

3. geodist指令

此指令用于計算兩個位置之間的距離，基本文法如下：

GEODIST location-set location-x location-y [unit]      

可選參數 unit 用于指定計算距離時的機關， 它的值可以是以下機關的其中一個：

m 表示機關為米。km 表示機關為千米。mi 表示機關為英裡。ft 表示機關為英尺。

案例：分别以預設距離機關和指定距離機關計算襄陽和武漢的距離

--不指定距離機關
127.0.0.1:6381> geodist hubeiCities xiangyang wuhan
"266889.7642"
--指定距離機關km
127.0.0.1:6381> geodist hubeiCities xiangyang wuhan km
"266.8898"      

4. georadius指令和georadiusbymember指令

這兩個指令都可以用于擷取指定範圍内的元素，也即查找特定範圍之内的其他存在的地點。比如找出地點A範圍200米之内的所有地點，找出地點B範圍50公裡之内的所有地點等等。

這兩個指令的作用一樣， 隻是指定中心點的方式不同： georadius 使用使用者給定的經緯度作為計算範圍時的中心點， 而 georadiusbymember 則使用儲存在位置集合裡面的某個地點作為中心點。

以下是這兩個指令的基本文法

GEORADIUS location-set longitude latitude radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [ASC|DESC] [COUNT count]

GEORADIUSBYMEMBER location-set location radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [ASC|DESC] [COUNT count]      

這兩個指令的各個參數的意義如下：

m|km|ft|mi 指定的是計算範圍時的機關；

如果給定了WITHCOORD，那麼在傳回比對的位置時會将位置的經緯度一并傳回；

如果給定了WITHDIST ， 那麼在傳回比對的位置時會将位置與中心點之間的距離一并傳回；

在預設情況下， GEORADIUS 和 GEORADIUSBYMEMBER 的結果是未排序的， ASC 可以讓查找結果根據距離從近到遠排序， 而 DESC 則可以讓查找結果根據從遠到近排序；

COUNT參數用于指定要傳回的結果數量。

下面通過案例分别示範georadius指令和georadiusbymember指令

GEORADIUS案例：在hubeiCities位置集合中查找距離經緯度為112.927076 28.235653（長沙）500km以内的位置資訊，查找結果中應包含不超過5個位置的坐标資訊，距離資訊，并按距離由近到遠排序。查詢代碼如下：

127.0.0.1:6381> georadius hubeiCities 112.927076 28.235653 500 km withcoord withdist asc count 5
-- 鹹甯  距離目标位置226.67公裡
1) 1) "xianning"
   2) "226.6716"
   3) 1) "114.29517298936843872"
      2) "29.88589217282589772"
-- 枝江  距離目标位置279.91公裡
2) 1) "zhijiang"
   2) "279.9154"
   3) 1) "111.58371716737747192"
      2) "30.46336248623112652"
-- 武漢  距離目标位置289.38公裡
3) 1) "wuhan"
   2) "289.3798"
   3) 1) "114.32538002729415894"
      2) "30.53453492166421057"
-- 宜昌  距離目标位置316.68公裡
4) 1) "yichang"
   2) "316.6777"
   3) 1) "111.30519658327102661"
      2) "30.70812783498269738"
-- 襄陽  距離目标位置432.18公裡
5) 1) "xiangyang"
   2) "432.1767"
   3) 1) "112.16188341379165649"
      2) "32.06450528704699821"      

GEORADIUSBYMEMBER案例：在hubeiCities位置集合中查找距離襄陽200km以内的位置資訊【這裡指定的目标位置隻能是hubeiCities中存在的位置，而不能指定位置坐标】，查找結果中應包含不超過2個位置的坐标資訊，距離資訊，并按距離由遠到近排序。查詢代碼如下：

127.0.0.1:6381> georadiusbymember hubeiCities xiangyang 200 km withcoord withdist desc count 2
-- 枝江  距襄陽186.38km
1) 1) "zhijiang"
   2) "186.3784"
   3) 1) "111.58371716737747192"
      2) "30.46336248623112652"
-- 宜昌  距襄陽171.40km
2) 1) "yichang"
   2) "171.3950"
   3) 1) "111.30519658327102661"
      2) "30.70812783498269738"      

好了，今天就先唠到這裡，真是越來越體會到了 碼字不易的深刻内涵，一不小心，碼了6000+字，有點累了

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