Redis常规指令及跳表

第一部分：Redis 常规指令

Redis 是一个键值存储系统，其指令通常以 COMMAND KEY_NAME [ARGUMENTS...] 的形式存在。下面我们按照数据结构和功能来分类。

1. 全局/键操作指令

这些指令不特定于某一数据类型，适用于所有键。

指令	描述	示例
KEYS pattern	查找所有符合给定模式（pattern）的键。（生产环境慎用，会阻塞）	KEYS user:*
EXISTS key	检查键是否存在。	EXISTS mykey
TYPE key	返回键所存储的值的类型。	TYPE mylist
DEL key [key ...]	删除一个或多个键。	DEL key1 key2
EXPIRE key seconds	为键设置过期时间（单位：秒）。	EXPIRE session:123 3600
TTL key	返回键的剩余生存时间。	TTL session:123
RENAME key newkey	重命名键。	RENAME oldkey newkey

2. 字符串

String 是 Redis 最基本的数据类型，可以存储文本、JSON、序列化对象，甚至是二进制数据（如图片）。

指令	描述	示例
SET key value	设置键的值。	SET name "Alice"
GET key	获取键的值。	GET name
SETEX key seconds value	设置键的值和过期时间（原子操作）。	SETEX cache:page1 60 "..."
SETNX key value	只有键不存在时，才设置键的值（分布式锁常用）。	SETNX lock:myjob 1
INCR key	将键中存储的数字值增一。	INCR counter
DECR key	将键中存储的数字值减一。	DECR counter
INCRBY key increment	将键中存储的数字值增加指定的增量。	INCRBY counter 10
APPEND key value	将指定值追加到键的原始值末尾。	APPEND greeting " World!"

3. 哈希

Hash 是一个键值对集合，特别适合存储对象信息。例如，一个用户对象。

指令	描述	示例
HSET key field value	设置哈希表 key 中的字段 field 的值。	HSET user:1001 name "Bob" age 30
HGET key field	获取哈希表 key 中给定字段 field 的值。	HGET user:1001 name
HGETALL key	获取在哈希表 key 中的所有字段和值。	HGETALL user:1001
HDEL key field [field ...]	删除哈希表 key 中的一个或多个指定字段。	HDEL user:1001 age
HEXISTS key field	查看哈希表 key 中，指定的字段是否存在。	HEXISTS user:1001 email
HINCRBY key field increment	为哈希表 key 中的字段 field 的值加上增量 increment。	HINCRBY user:1001 score 5

4. 列表

List 是一个字符串元素的有序集合，按插入顺序排序。底层是双向链表或快速列表（ziplist/quicklist）。

指令	描述	示例
LPUSH key value [value ...]	将一个或多个值插入到列表头部。	LPUSH mylist "world" "hello"
RPUSH key value [value ...]	将一个或多个值插入到列表尾部。	RPUSH mylist "redis"
LPOP key	移除并返回列表头部元素。	LPOP mylist
RPOP key	移除并返回列表尾部元素。	RPOP mylist
LLEN key	获取列表长度。	LLEN mylist
LRANGE key start stop	获取列表指定范围内的元素（0表示第一个，-1表示最后一个）。	LRANGE mylist 0 -1
LINDEX key index	通过索引获取列表中的元素。	LINDEX mylist 0

5. 集合

Set 是一个无序、唯一的字符串元素集合。常用于标签、共同好友等场景。

指令	描述	示例
SADD key member [member ...]	向集合添加一个或多个成员。	SADD mytags "redis" "database" "nosql"
SMEMBERS key	返回集合中的所有成员。	SMEMBERS mytags
SISMEMBER key member	判断成员元素是否是集合的成员。	SISMEMBER mytags "redis"
SREM key member [member ...]	移除集合中一个或多个成员。	SREM mytags "nosql"
SCARD key	获取集合的成员数。	SCARD mytags
SINTER key [key ...]	返回给定所有集合的交集。	SINTER set1 set2
SUNION key [key ...]	返回给定所有集合的并集。	SUNION set1 set2
SDIFF key [key ...]	返回给定所有集合的差集。	SDIFF set1 set2

6. 有序集合

这是跳表的核心应用场景。Sorted Set 和 Set 一样，也是元素唯一的集合。但每个元素都会关联一个 double 类型的分数。Redis 正是通过这个分数来为集合中的成员进行从小到大的排序。

指令	描述	示例
ZADD key score member [score member ...]	向有序集合添加一个或多个成员，或更新已存在成员的分数。	ZADD leaderboard 100 "player1" 200 "player2"
ZRANGE key start stop [WITHSCORES]	通过索引区间返回有序集合中指定区间内的成员（分数从低到高）。	ZRANGE leaderboard 0 -1 WITHSCORES
ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]	通过索引区间返回有序集合中指定区间内的成员（分数从高到低）。	ZREVRANGE leaderboard 0 2
ZRANK key member	返回有序集合中指定成员的排名（分数从低到高排序）。	ZRANK leaderboard "player2"
ZREVRANK key member	返回有序集合中指定成员的排名（分数从高到低排序）。	ZREVRANK leaderboard "player2"
ZSCORE key member	返回有序集合中指定成员的分数值。	ZSCORE leaderboard "player1"
ZREM key member [member ...]	移除有序集合中的一个或多个成员。	ZREM leaderboard "player1"
ZCARD key	获取有序集合的成员数。	ZCARD leaderboard
ZCOUNT key min max	计算在有序集合中指定区间分数的成员数。	ZCOUNT leaderboard 0 150

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第二部分：跳表

1. 什么是跳表？

跳表是一种概率平衡的数据结构，可以看作是带有“快速通道”的有序链表。它通过在原始有序链表之上建立多级索引，来实现快速的查找、插入和删除操作，其平均时间复杂度为 O(log N)，最坏情况为 O(N)。

为什么需要跳表？

• 普通有序链表的查找效率是 O(N)，因为必须从头开始逐个遍历。
• 平衡二叉树（如红黑树）虽然能实现 O(log N) 的查找，但实现复杂，且在并发环境下需要复杂的锁机制来保证平衡。
• 跳表提供了一种在实现上比平衡树更简单，且性能与之媲美的方案。

2. 跳表的底层原理

让我们通过一个例子来理解跳表是如何工作的。

第0步：原始有序链表
假设我们有一个有序链表：1 <-> 7 <-> 20 <-> 35 <-> 50 <-> 80。
如果要查找 35，我们需要从头节点 1 开始，依次比较 7, 20，最后找到 35，共比较3次。

1 -> 7 -> 20 -> 35 -> 50 -> 80

第1步：建立一级索引（“快车道”）
我们从链表中抽取部分节点（例如，每隔一个节点）组成一个新的一级索引链表。

• 索引层：1 -> 20 -> 50
• 原始层：1 -> 7 -> 20 -> 35 -> 50 -> 80

现在查找 35：

1. 从索引层 1 开始，比较 20，35 > 20，继续在索引层找。
2. 找到 50，35 < 50，说明 35 在 20 和 50 之间。
3. 从索引层的 20 节点下降到原始层的 20 节点。
4. 在原始层从 20 开始向后遍历，立刻找到 35。

这次我们只比较了 20, 50, 35，共3次。虽然在这个小例子中优势不明显，但当数据量巨大时，效率提升是惊人的。

第2步：建立多级索引
我们可以在一级索引的基础上，再抽取部分节点建立二级索引。

• 二级索引：1 -> 50
• 一级索引：1 -> 20 -> 50
• 原始层：1 -> 7 -> 20 -> 35 -> 50 -> 80

现在查找 35：

1. 从二级索引 1 开始，比较 50，35 < 50。
2. 从二级索引的 1 节点下降到一级索引的 1 节点。
3. 在一级索引从 1 开始，比较 20，35 > 20，继续找。
4. 找到 50，35 < 50。
5. 从一级索引的 20 节点下降到原始层的 20 节点。
6. 在原始层找到 35。

比较次数依然是 50, 20, 35。但想象一下，如果链表有上百万个节点，多级索引可以让你“大步跨越”，迅速缩小查找范围。

如何保持平衡？
跳表不像平衡树那样有严格的旋转规则。它通过随机函数来决定一个节点应该被提升到多少级索引。

• 当一个新节点插入时，会调用一个随机函数（例如，抛硬币）。
• 如果结果是“正面”，就将该节点提升到一级索引。
• 再次抛硬币，如果是“正面”，就提升到二级索引。
• …直到出现“反面”为止。

这种随机化的方法使得跳表在宏观上保持平衡，避免了最坏情况，同时实现非常简单。

3. 为什么 Redis 选择使用跳表？

在 Redis 中，Sorted Set（ZSET）需要同时满足两个核心需求：

1. 能按分数（score）进行排序。
2. 能快速进行范围查找（例如，查找分数在 100 到 200 之间的所有成员）。

Redis 在实现 ZSET 时，实际上使用了两种数据结构：

• 哈希表：用于存储 member 到 score 的映射。这使得 ZSCORE 操作的时间复杂度为 O(1)。
• 跳表：按 score 排序存储所有 member 和 score。

选择跳表而不是平衡树（如红黑树）的原因主要有以下几点：

1. 实现简单：跳表的实现逻辑远比红黑树等平衡树要简单、直观。Redis 的作者 Salvatore Sanfilippo 曾表示，他选择跳表就是因为代码更容易写、更不容易出错。
2. 范围查找性能优异：跳表本身就是基于链表的，进行范围操作（如 ZRANGE）非常自然和高效。只需找到范围的起始点，然后沿着链表顺序遍历即可。平衡树的范围查找需要通过中序遍历，虽然也是 O(log N + M)，但实现上跳表更直接。
3. 内存占用：跳表通过随机化建立索引，其平均空间复杂度为 O(N)，与平衡树相当。但在实践中，通过调整概率参数（如 Redis 中 p=0.25），可以很好地控制内存使用。
4. 并发友好：跳表的修改操作（插入、删除）通常只影响局部节点，而平衡树的旋转操作可能影响较大范围的子树，这使得跳表在并发环境下（虽然 Redis 是单线程模型，但设计理念上）更容易实现无锁或细粒度锁。

4. 跳表在 Redis 中的应用

跳表是 Redis 中 Sorted Set (ZSET) 的核心数据结构。

• ZADD：插入一个新元素时，Redis 会先通过哈希表检查 member 是否已存在。如果存在，则更新其 score 并在跳表中调整位置；如果不存在，则创建新节点，并通过随机算法决定其索引层数，然后将其插入到跳表的相应位置。时间复杂度平均为 O(log N)。
• ZRANGE / ZREVRANGE：通过跳表快速定位到范围的起始节点，然后沿着 prev 或 next 指针顺序遍历，直到范围的结束节点。时间复杂度为 O(log N + M)，其中 N 是 ZSET 的元素总数，M 是返回的元素个数。
• ZRANK / ZREVRANK：查找某个 member 的排名。跳表需要维护一个 span（跨度）属性，表示当前指针指向的下一个节点之间，在原始链表中有多少个节点。通过累加 span，可以快速计算出排名。时间复杂度为 O(log N)。
• ZREM：删除一个元素，需要从哈希表和跳表中同时删除。在跳表中删除一个节点后，需要更新其上层所有索引中指向它的指针。时间复杂度平均为 O(log N)。

总结

• Redis 常规指令是操作 Redis 的基础，理解不同数据类型（String, Hash, List, Set, Sorted Set）及其对应指令是使用 Redis 的前提。
• 跳表是一种高效且实现相对简单的有序数据结构。Redis 在 Sorted Set 中巧妙地结合了哈希表和跳表，哈希表负责 O(1) 的单点查找，跳表负责 O(log N) 的排序和范围操作，这使得 Sorted Set 成为了 Redis 中功能最强大、最常用的数据结构之一。选择跳表而非平衡树，体现了 Redis 追求简洁、高效和可靠的设计理念。