第二章 - 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在開始將探究Redis的5種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們會解釋每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是什么，包含了什么有效的方法（Method），以及你能用這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理哪些類型的特性和數(shù)據(jù)。

目前為止，我們所知道的Redis構(gòu)成僅包括命令、關(guān)鍵字和值，還沒有接觸到關(guān)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體概念。當(dāng)我們使用set命令時，Redis是怎么知道我們是在使用哪個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？其解決方法是，每個命令都相對應(yīng)于一種特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)你使用set命令，你就是將值存儲到一個字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里。而當(dāng)你使用hset命令，你就是將值存儲到一個散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里?？紤]到Redis的關(guān)鍵字集很小，這樣的機制具有相當(dāng)?shù)目晒芾硇浴?/p>

Redis的網(wǎng)站里有著非常優(yōu)秀的參考文檔，沒有任何理由去重造輪子。但為了搞清楚這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用，我們將會覆蓋那些必須知道的重要命令。

沒有什么事情比高興的玩和試驗有趣的東西來得更重要的了。在任何時候，你都能通過鍵入flushdb命令將你數(shù)據(jù)庫里的所有值清除掉，因此，不要再那么害羞了，去嘗試做些瘋狂的事情吧！

字符串（Strings)

在Redis里，字符串是最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)你在思索著關(guān)鍵字-值對時，你就是在思索著字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。不要被名字給搞混了，如之前說過的，你的值可以是任何東西。我更喜歡將他們稱作“標(biāo)量”（Scalars），但也許只有我才這樣想。

我們已經(jīng)看到了一個常見的字符串使用案例，即通過關(guān)鍵字存儲對象的實例。有時候，你會頻繁地用到這類操作：

set users:leto "{name: leto, planet: dune, likes: [spice]}"

除了這些外，Redis還有一些常用的操作。例如，strlen能用來獲取一個關(guān)鍵字對應(yīng)值的長度；getrange將返回指定范圍內(nèi)的關(guān)鍵字對應(yīng)值；append會將value附加到已存在的關(guān)鍵字對應(yīng)值中（如果該關(guān)鍵字并不存在，則會創(chuàng)建一個新的關(guān)鍵字-值對）。不要猶豫，去試試看這些命令吧。下面是我得到的：

> strlen users:leto
(integer) 42

> getrange users:leto 27 40
"likes: [spice]"

> append users:leto " OVER 9000!!"
(integer) 54

現(xiàn)在你可能會想，這很好，但似乎沒有什么意義。你不能有效地提取出一段范圍內(nèi)的JSON文件，或者為其附加一些值。你是對的，這里的經(jīng)驗是，一些命令，尤其是關(guān)于字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的，只有在給定了明確的數(shù)據(jù)類型后，才會有實際意義。

之前我們知道了，Redis不會去關(guān)注你的值是什么東西。通常情況下，這沒有錯。然而，一些字符串命令是專門為一些類型或值的結(jié)構(gòu)而設(shè)計的。作為一個有些含糊的用例，我們可以看到，對于一些自定義的空間效率很高的（space-efficient）串行化對象，append和getrange命令將會很有用。對于一個更為具體的用例，我們可以再看一下incr、incrby、decr和decrby命令。這些命令會增長或者縮減一個字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的值：

> incr stats:page:about
(integer) 1
> incr stats:page:about
(integer) 2

> incrby ratings:video:12333 5
(integer) 5
> incrby ratings:video:12333 3
(integer) 8

由此你可以想象到，Redis的字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能很好地用于分析用途。你還可以去嘗試增長users:leto（一個不是整數(shù)的值），然后看看會發(fā)生什么（應(yīng)該會得到一個錯誤）。

更為進階的用例是setbit和getbit命令?！敖裉煳覀冇卸嗌賯€獨立用戶訪問”是個在Web應(yīng)用里常見的問題，有一篇精彩的博文，在里面可以看到Spool是如何使用這兩個命令有效地解決此問題。對于1.28億個用戶，一部筆記本電腦在不到50毫秒的時間里就給出了答復(fù)，而且只用了16MB的存儲空間。

最重要的事情不是在于你是否明白位圖（Bitmaps)的工作原理，或者Spool是如何去使用這些命令，而是應(yīng)該要清楚Redis的字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比你當(dāng)初所想的要有用許多。然而，最常見的應(yīng)用案例還是上面我們給出的：存儲對象（簡單或復(fù)雜）和計數(shù)。同時，由于通過關(guān)鍵字來獲取一個值是如此之快，字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很常被用來緩存數(shù)據(jù)。

散列（Hashes）

我們已經(jīng)知道把Redis稱為一種關(guān)鍵字-值型存儲是不太準(zhǔn)確的，散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個很好的例證。你會看到，在很多方面里，散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很像字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。兩者顯著的區(qū)別在于，散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供了一個額外的間接層：一個域（Field）。因此，散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的set和get是：

hset users:goku powerlevel 9000
hget users:goku powerlevel

相關(guān)的操作還包括在同一時間設(shè)置多個域、同一時間獲取多個域、獲取所有的域和值、列出所有的域或者刪除指定的一個域：

hmset users:goku race saiyan age 737
hmget users:goku race powerlevel
hgetall users:goku
hkeys users:goku
hdel users:goku age

如你所見，散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比普通的字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有更多的可操作性。我們可以使用一個散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去獲得更精確的描述，是存儲一個用戶，而不是一個序列化對象。從而得到的好處是能夠提取、更新和刪除具體的數(shù)據(jù)片段，而不必去獲取或?qū)懭胝麄€值。

對于散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以從一個經(jīng)過明確定義的對象的角度來考慮，例如一個用戶，關(guān)鍵之處在于要理解他們是如何工作的。從性能上的原因來看，這是正確的，更具粒度化的控制可能會相當(dāng)有用。在下一章我們將會看到，如何用散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去組織你的數(shù)據(jù)，使查詢變得更為實效。在我看來，這是散列真正耀眼的地方。

列表（Lists）

對于一個給定的關(guān)鍵字，列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讓你可以存儲和處理一組值。你可以添加一個值到列表里、獲取列表的第一個值或最后一個值以及用給定的索引來處理值。列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維護了值的順序，提供了基于索引的高效操作。為了跟蹤在網(wǎng)站里注冊的最新用戶，我們可以維護一個newusers的列表：

lpush newusers goku
ltrim newusers 0 50

（譯注：ltrim命令的具體構(gòu)成是LTRIM Key start stop。要理解ltrim命令，首先要明白Key所存儲的值是一個列表，理論上列表可以存放任意個值。對于指定的列表，根據(jù)所提供的兩個范圍參數(shù)start和stop，ltrim命令會將指定范圍外的值都刪除掉，只留下范圍內(nèi)的值。）

首先，我們將一個新用戶推入到列表的前端，然后對列表進行調(diào)整，使得該列表只包含50個最近被推入的用戶。這是一種常見的模式。ltrim是一個具有O(N)時間復(fù)雜度的操作，N是被刪除的值的數(shù)量。從上面的例子來看，我們總是在插入了一個用戶后再進行列表調(diào)整，實際上，其將具有O(1)的時間復(fù)雜度（因為N將永遠等于1）的常數(shù)性能。

這是我們第一次看到一個關(guān)鍵字的對應(yīng)值索引另一個值。如果我們想要獲取最近的10個用戶的詳細資料，我們可以運行下面的組合操作：

keys = redis.lrange('newusers', 0, 10)
redis.mget(*keys.map {|u| "users:#{u}"})

我們之前談?wù)撨^關(guān)于多次往返數(shù)據(jù)的模式，上面的兩行Ruby代碼為我們進行了很好的演示。

當(dāng)然，對于存儲和索引關(guān)鍵字的功能，并不是只有列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這種方式。值可以是任意的東西，你可以使用列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去存儲日志，也可以用來跟蹤用戶瀏覽網(wǎng)站時的路徑。如果你過往曾構(gòu)建過游戲，你可能會使用列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去跟蹤用戶的排隊活動。

集合（Sets）

集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)常常被用來存儲只能唯一存在的值，并提供了許多的基于集合的操作，例如并集。集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒有對值進行排序，但是其提供了高效的基于值的操作。使用集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的典型用例是朋友名單的實現(xiàn)：

sadd friends:leto ghanima paul chani jessica
sadd friends:duncan paul jessica alia

不管一個用戶有多少個朋友，我們都能高效地（O(1)時間復(fù)雜度）識別出用戶X是不是用戶Y的朋友：

sismember friends:leto jessica
sismember friends:leto vladimir

而且，我們可以查看兩個或更多的人是不是有共同的朋友：

sinter friends:leto friends:duncan

甚至可以在一個新的關(guān)鍵字里存儲結(jié)果：

sinterstore friends:leto_duncan friends:leto friends:duncan

有時候需要對值的屬性進行標(biāo)記和跟蹤處理，但不能通過簡單的復(fù)制操作完成，集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是解決此類問題的最好方法之一。當(dāng)然，對于那些需要運用集合操作的地方（例如交集和并集），集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是最好的選擇。

分類集合（Sorted Sets）

最后也是最強大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是分類集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果說散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似于字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要區(qū)分是域（field）的概念；那么分類集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就類似于集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要區(qū)分是標(biāo)記（score）的概念。標(biāo)記提供了排序（sorting）和秩劃分（ranking）的功能。如果我們想要一個秩分類的朋友名單，可以這樣做：

zadd friends:duncan 70 ghanima 95 paul 95 chani 75 jessica 1 vladimir

對于duncan的朋友，要怎樣計算出標(biāo)記（score）為90或更高的人數(shù)？

zcount friends:duncan 90 100

如何獲取chani在名單里的秩（rank）？

zrevrank friends:duncan chani

（譯注：zrank命令的具體構(gòu)成是ZRANK Key menber，要知道Key存儲的Sorted Set默認是根據(jù)Score對各個menber進行升序的排列，該命令就是用來獲取menber在該排列里的次序，這就是所謂的秩。）

我們使用了zrevrank命令而不是zrank命令，這是因為Redis的默認排序是從低到高，但是在這個例子里我們的秩劃分是從高到低。對于分類集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最常見的應(yīng)用案例是用來實現(xiàn)排行榜系統(tǒng)。事實上，對于一些基于整數(shù)排序，且能以標(biāo)記（score）來進行有效操作的東西，使用分類集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來處理應(yīng)該都是不錯的選擇。

小結(jié)

對于Redis的5種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們進行了高層次的概述。一件有趣的事情是，相對于最初構(gòu)建時的想法，你經(jīng)常能用Redis創(chuàng)造出一些更具實效的事情。對于字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和分類集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的使用，很有可能存在一些構(gòu)建方法是還沒有人想到的。當(dāng)你理解了那些常用的應(yīng)用案例后，你將發(fā)現(xiàn)Redis對于許多類型的問題，都是很理想的選擇。還有，不要因為Redis展示了5種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的各種方法，就認為你必須要把所有的東西都用上。只使用一些命令去構(gòu)建一個特性是很常見的。