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Redis基础数据结构

news 2026/5/12 0:55:33

tags: [Redis, 数据结构, 底层实现]

Redis数据结构

一、对外数据结构（存储数据类型）

Redis 为开发者提供了五种基本数据结构，每种结构都有特定的应用场景。

1.1 String（字符串）

描述：

最基本的数据类型，可以存储文本、数字或二进制数据。
最大容量为 512MB。

底层实现：

简单动态字符串（SDS，Simple Dynamic String）
支持预分配和惰性释放，减少内存重分配次数。

常用命令：

SET、GET、INCR、DECR、APPEND

应用场景：

缓存用户信息、会话
计数器（文章阅读量、点赞数）
分布式锁

1.2 List（列表）

描述：

有序的字符串列表，支持从两端插入和删除。
元素可以重复。

底层实现：

Redis 3.2 之前：小数据用 ziplist，大数据用 linkedlist。
Redis 3.2 之后：统一使用 quicklist（ziplist 组成的双向链表）。
Redis 7.0 之后：quicklist 中的 ziplist 被 listpack 替换。

常用命令：

LPUSH、RPUSH、LPOP、RPOP、LRANGE

应用场景：

消息队列
最新文章列表
记录用户操作日志

1.3 Set（集合）

描述：

无序且唯一的字符串集合。
支持交集、并集、差集等集合运算。

底层实现：

小数据用 intset（整数集合），大数据用 hashtable。

常用命令：

SADD、SREM、SISMEMBER、SINTER、SUNION

应用场景：

标签系统
共同好友
抽奖去重

1.4 Zset（有序集合）

描述：

有序的字符串集合，每个元素关联一个分数（score）。
按分数排序，支持按分数范围查询。

底层实现：

小数据用 ziplist/listpack，大数据用 skiplist + hashtable。
Redis 7.0 之后，小数据时用 listpack 代替 ziplist。

常用命令：

ZADD、ZREM、ZRANGE、ZREVRANGE、ZSCORE

应用场景：

排行榜
延时任务
带权重的消息队列

1.5 Hash（哈希）

描述：

键值对集合，类似对象属性。
支持字段级别的操作。

底层实现：

小数据用 ziplist/listpack，大数据用 hashtable。

常用命令：

HSET、HGET、HMSET、HMGET、HGETALL

应用场景：

存储对象（用户信息、商品信息）
购物车

二、底层数据结构

2.1 简单动态字符串（SDS）

特点：

O(1) 获取长度：保存了字符串长度字段。
二进制安全：可以存储任意二进制数据，包括\0。
内存预分配：减少内存重分配次数。
惰性释放：缩短字符串时不立即释放内存，留作后续使用。

结构：

structsdshdr{intlen;// 已使用长度intfree;// 未使用长度charbuf[];// 字节数组};

2.2 压缩列表（ziplist） - 已弃用

概述：

早期用于 List、Hash、Zset 的小规模存储。
内存紧凑，适合存储少量小数据。

结构：

zlbytes：4 字节，记录整个 ziplist 占用的字节数。
zltail：4 字节，记录最后一个 entry 的偏移量。
zllen：2 字节，记录 entry 数量。
entry：不定长，存储具体数据。
zlend：1 字节，结束标记（255）。

entry 结构：

prevlen：前一个 entry 的长度（1 或 5 字节）。
encoding：当前 entry 的类型和长度（1、2 或 5 字节）。
data：实际数据。

问题：级联更新

如果某个 entry 长度从小于 254 变为大于等于 254，其下一个 entry 的 prevlen 需要从 1 字节扩展为 5 字节。
可能引发连锁反应，导致多个 entry 需要重新分配内存。

2.3 紧凑列表（listpack） - Redis 7.0 引入

概述：

替代 ziplist，解决级联更新问题。
设计更简单，编码更灵活。

结构：

total-bytes：整个 listpack 的字节数。
num-elements：entry 数量。
entry：包含 encoding、data、entry-len。
entry-len：放在 entry 末尾，记录当前 entry 的总长度（变长编码）。

改进：

去掉了 prevlen 字段，改为在 entry 末尾记录自身长度。
反向遍历时，通过 entry-len 向前移动，避免了级联更新。

2.4 快速列表（quicklist）

概述：

Redis 3.2 引入，List 的默认底层实现。
宏观上是双向链表，微观上是 ziplist/listpack 数组。

结构：

typedefstructquicklist{quicklistNode*head;// 头节点quicklistNode*tail;// 尾节点unsignedlongcount;// 所有 ziplist 中 entry 总数unsignedintlen;// quicklist 节点数intfill:16;// 每个节点最大容量（由 list-max-ziplist-size 配置）unsignedintcompress:16;// 压缩深度（由 list-compress-depth 配置）}quicklist;

节点结构：

typedefstructquicklistNode{structquicklistNode*prev;structquicklistNode*next;unsignedchar*zl;// 指向 ziplist 或 listpackunsignedintsz;// ziplist/listpack 占用的字节数unsignedintcount:16;// entry 数量unsignedintencoding:2;// 编码方式：1-RAW, 2-LZFunsignedintcontainer:2;// 容器类型：2-ziplist/listpackunsignedintrecompress:1;// 是否需要重新压缩}quicklistNode;

优点：

平衡了内存使用和操作效率。
支持节点压缩，节省内存。

2.5 跳跃表（skiplist）

概述：

用于 Zset 的大数据存储。
有序数据结构，支持平均 O(log N) 的查找、插入、删除。

结构：

多层链表结构，底层包含所有元素，上层是索引层。
每个节点包含：
- 元素值（member）
- 分数（score）
- 后退指针（backward）
- 层数组（level[]），每层包含前进指针和跨度。

插入过程：

随机生成节点层数（1-32），层数越高概率越低（p=0.25）。
从最高层开始查找插入位置。
在各层链表中插入节点。

优点：

支持范围查询。
比平衡树（如红黑树）实现简单，并发友好。

2.6 哈希表（hashtable）

概述：

用于实现 Set、Hash 以及全局键空间。
采用链地址法解决哈希冲突。

渐进式 rehash：

Redis 使用两个哈希表（ht[0] 和 ht[1]），在扩容时逐步迁移数据。
每次对字典的增删改查操作时，迁移少量 bucket。
避免一次性 rehash 导致的阻塞。

三、数据结构选择与配置

3.1 配置参数

数据类型	配置项	含义
List	`list-max-ziplist-size`	quicklist 中每个节点的最大容量
List	`list-compress-depth`	节点压缩深度
Hash	`hash-max-ziplist-entries`	使用 ziplist/listpack 的最大 entry 数
Hash	`hash-max-ziplist-value`	使用 ziplist/listpack 时单个 value 的最大字节数
Zset	`zset-max-ziplist-entries`	使用 ziplist/listpack 的最大 entry 数
Zset	`zset-max-ziplist-value`	使用 ziplist/listpack 时单个 value 的最大字节数
Set	`set-max-intset-entries`	使用 intset 的最大元素数