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今天我们来聊聊Redis中一个非常有趣且实用的数据结构——有序集合(zset)。就像我们平时在超市购物时#xff0c;商品会按照价格从低到高排列一样#xff0c;zset也能帮我们维护一个有序的数据集合。那么Redis是如何实现这种高效的有序结构的呢…Redis中的zset的底层实现
今天我们来聊聊Redis中一个非常有趣且实用的数据结构——有序集合(zset)。就像我们平时在超市购物时商品会按照价格从低到高排列一样zset也能帮我们维护一个有序的数据集合。那么Redis是如何实现这种高效的有序结构的呢让我们一起来探索它的底层实现原理。
1. zset的基本概念
在开始深入之前我们先简单回顾一下zset的基本特性。zset是Redis提供的一种有序集合数据结构它类似于普通的集合(set)但每个成员都会关联一个分数(score)Redis会根据这个分数对集合中的成员进行从小到大的排序。
zset在实际应用中非常有用比如我们可以用它来实现
排行榜系统按分数排序带权重的任务队列时间线功能按时间戳排序范围查询如查找分数在80-90之间的学生
zset的一个关键特性是虽然成员是唯一的但分数可以重复。这就像班级里每个学生学号唯一但可以有多个学生考同样的分数。
2. zset的底层实现结构
理解了zset的基本概念后我们来看看Redis是如何实现它的。Redis的zset实际上使用了两种数据结构组合来实现
2.1 哈希表(Hash Table)
Redis使用一个哈希表来存储成员(member)到分数(score)的映射关系。这就像我们有一个学生名册可以快速通过学生姓名查找到他的考试成绩。
哈希表的优势在于
O(1)时间复杂度查找成员对应的分数快速判断某个成员是否存在高效更新成员的分数
2.2 跳跃表(Skip List)或压缩列表(Zip List)
为了维护成员的有序性Redis会根据数据量的大小选择使用跳跃表或压缩列表
当元素数量较少或元素较小时使用压缩列表(Zip List)当元素数量超过阈值或元素较大时使用跳跃表(Skip List)
这种设计是Redis典型的小数据优化思想对于小数据集使用更紧凑的存储方式对于大数据集则使用性能更好的结构。 以上流程图说明了zset的底层实现结构。它同时使用了哈希表和有序结构可能是压缩列表或跳跃表来满足不同的操作需求。
3. 压缩列表实现细节
现在我们来详细看看zset在小数据情况下的实现——压缩列表(Zip List)。压缩列表是Redis为了节省内存而设计的一种特殊编码方式。
3.1 压缩列表的结构
压缩列表是一块连续的内存空间它按照特定的格式存储数据。想象一下这就像我们把所有数据整齐地打包在一个行李箱里而不是分散放在房间各处。
一个压缩列表包含以下部分
----------------------------------------------------------------
| zlbytes | zltail | zllen | entry1 | entry2 | ... | entryN | zlend |
----------------------------------------------------------------
其中
zlbytes: 整个压缩列表占用的内存字节数zltail: 最后一个节点的偏移量方便快速定位zllen: 节点数量entry1..N: 各个节点数据zlend: 结束标记(0xFF)
3.2 压缩列表中的元素存储
在zset中使用压缩列表时每个成员和它的分数会作为两个连续的节点存储。这就像我们把学生的姓名和成绩写在相邻的两张卡片上。
例如存储一个zset {“alice”: 85, “bob”: 92}在压缩列表中的布局如下
--------------------------------------------------------
| ... | 85 | alice | 92 | bob | ... |
--------------------------------------------------------
这种存储方式非常紧凑没有额外的指针开销因此在小数据量时非常高效。
需要注意的是当zset使用压缩列表存储时所有操作都需要遍历整个列表因此时间复杂度是O(N)。这就是为什么Redis会在数据量大时切换到跳跃表的原因。
4. 跳跃表实现细节
当zset中的元素数量超过zset-max-ziplist-entries默认128或元素大小超过zset-max-ziplist-value默认64字节时Redis会将底层结构转换为跳跃表(Skip List)。
4.1 跳跃表的基本概念
跳跃表是一种概率平衡的数据结构可以看作是多层链表。想象一下地铁系统有普通站每站都停和快速站只停大站这样乘客可以根据需要选择不同速度的线路。
一个简单的跳跃表示例
Level 3: 1 -------------------------------- 9
Level 2: 1 ------------ 5 ------------ 9
Level 1: 1 --- 3 --- 5 --- 7 --- 9
Level 0: 1-2-3-4-5-6-7-8-9
在这个结构中查找时可以跳过一些节点从而将查找时间复杂度从O(N)降低到O(logN)。
4.2 Redis中跳跃表的具体实现
Redis中的跳跃表实现包含两个主要结构
1. zskiplistNode跳跃表节点
typedef struct zskiplistNode {robj *obj; // 成员对象double score; // 分数struct zskiplistNode *backward; // 后退指针struct zskiplistLevel {struct zskiplistNode *forward; // 前进指针unsigned int span; // 跨度} level[]; // 层级数组
} zskiplistNode;
2. zskiplist跳跃表
typedef struct zskiplist {struct zskiplistNode *header, *tail; // 头尾节点unsigned long length; // 节点数量int level; // 当前最大层数
} zskiplist;
跳跃表在Redis中的实际内存布局如下图所示
[图片位置1Redis跳跃表内存布局示意图]
4.3 跳跃表的操作原理
让我们以插入操作为例看看跳跃表是如何工作的 以上流程图说明了在跳跃表中插入一个新元素的完整过程。关键在于从高层开始快速定位然后逐步精确到插入位置最后通过随机算法决定新节点的层数。
4.4 为什么Redis选择跳跃表而不是平衡树
很多同学可能会问为什么Redis不使用更常见的平衡树如AVL树或红黑树来实现有序集合呢这主要有以下几个原因
实现简单跳跃表的实现比平衡树简单得多代码更易于维护范围查询高效跳跃表在范围查询时非常高效因为底层是一个链表并发友好跳跃表比平衡树更容易实现无锁并发操作性能相当对于大多数操作跳跃表的平均时间复杂度与平衡树相同
5. zset的常用操作分析
了解了zset的底层结构后我们来看看一些常用操作在这些结构上是如何执行的。
5.1 ZADD操作
ZADD key score member 是向zset中添加元素的基本命令。它的执行流程如下 检查zset是否存在不存在则创建 如果底层是压缩列表 检查是否需要转换为跳跃表根据元素数量和大小如果不需要转换则遍历压缩列表查找插入位置插入新元素可能需要重新分配内存 如果底层是跳跃表 使用跳跃表查找算法定位插入位置创建新节点并插入到适当位置更新哈希表中的member-score映射
5.2 ZRANGE操作
ZRANGE key start stop 用于获取指定范围内的元素。它的执行流程 检查zset是否存在 如果底层是压缩列表 从头开始遍历到start位置继续遍历直到stop位置收集结果 如果底层是跳跃表 从头节点开始利用跳跃表的层级快速定位到start位置沿着最底层链表遍历到stop位置
5.3 ZSCORE操作
ZSCORE key member 用于获取成员的分数。这个操作非常高效因为它直接通过哈希表查找
在哈希表中查找member对应的score返回结果无论底层是压缩列表还是跳跃表这一步都是O(1)
从这些操作中我们可以看到Redis巧妙地结合了哈希表和有序结构的优势哈希表提供快速的成员查找有序结构维护排序和范围查询能力。
6. zset的内存优化技巧
在实际使用中我们经常需要考虑如何优化zset的内存使用。下面分享几个实用的技巧
6.1 合理设置ziplist参数
我们可以根据实际数据特点调整这两个参数
# 修改redis.conf或通过CONFIG SET命令
zset-max-ziplist-entries 256 # 默认128
zset-max-ziplist-value 128 # 默认64
上述配置将允许更多的元素或更大的元素使用压缩列表存储。但要注意
增加这些值会节省内存但可能降低操作性能需要根据实际数据特点进行测试和权衡
6.2 使用更短的成员名称
由于成员名称存储在内存中使用更短的名称可以显著节省内存。例如
使用用户ID而不是用户名使用缩写或编码代替完整名称
6.3 考虑使用整数分数
如果业务允许使用整数而不是浮点数作为分数可以节省一些内存。
6.4 定期清理过期数据
对于排行榜等场景可以定期移除排名靠后的数据保持zset的大小可控。
7. 实际应用案例
让我们看一个实际的排行榜实现案例展示如何充分利用zset的特性。
7.1 游戏排行榜实现
假设我们要实现一个游戏玩家积分排行榜支持以下功能
记录玩家分数获取前10名玩家查询玩家排名查询分数段内的玩家
Redis命令实现
# 添加或更新玩家分数
ZADD leaderboard 3500 player1
ZADD leaderboard 2800 player2
ZADD leaderboard 4200 player3# 获取前10名玩家按分数从高到低
ZREVRANGE leaderboard 0 9 WITHSCORES# 查询特定玩家排名从0开始
ZREVRANK leaderboard player1# 查询分数在3000-4000之间的玩家
ZRANGEBYSCORE leaderboard 3000 4000 WITHSCORES
上述代码展示了如何使用zset实现一个完整的排行榜系统。考虑到排行榜需要频繁更新和查询zset的O(logN)操作复杂度非常适合这种场景。
8. 总结
通过今天的探讨我们对Redis中zset的底层实现有了深入的理解。让我们总结一下本文的主要内容
zset的基本概念有序集合成员唯一但分数可重复底层结构哈希表有序结构压缩列表或跳跃表压缩列表实现小数据时使用内存紧凑但操作复杂度高跳跃表实现大数据时使用O(logN)时间复杂度支持高效范围查询操作分析不同操作在不同结构上的执行流程优化技巧合理配置参数、缩短成员名称等实际应用排行榜系统的完整实现
Redis的zset通过巧妙的双结构设计既保证了高效的成员查找又维护了良好的排序特性是很多有序场景的理想选择。希望通过本文的分享能帮助大家更好地理解和使用这个强大的数据结构。
