【C#与Redis】--Redis 数据结构

一、Redis数据结构简介

Redis（Remote Dictionary Server）是一个开源的内存数据存储系统，可以用作数据库、缓存和消息中间件。它支持多种数据结构，使其在不同场景下都能发挥作用。以下是一些常见的Redis数据结构：

1. 字符串（String）：
   • Redis中的基本数据类型之一，可以存储任意二进制数据，比如文本或者序列化的对象。
   • 提供了丰富的字符串操作命令，如GET、SET、INCR等。
2. 列表（List）：
   • 有序的字符串元素集合，可以在列表的两端执行插入和删除操作。
   • 支持在列表的任意位置进行元素的插入和删除，以及范围查询。
3. 集合（Set）：
   • 无序的字符串元素集合，不允许重复的成员存在。
   • 提供了对集合的交集、并集和差集等操作。
4. 有序集合（Sorted Set）：
   • 类似于集合，但每个元素都关联了一个分数（score），通过分数进行排序。
   • 支持按照分数范围进行查询，以及对元素进行排名。
5. 哈希表（Hash）：
   • 存储了字段和与字段关联的值之间的映射。
   • 适用于存储对象，每个字段可以看作对象的属性，值则是属性的值。
6. Bitmaps：
   • Redis提供了用于处理位图的数据结构，可以进行位运算操作。
   • 常用于记录用户在线状态、统计用户活跃度等。
7. HyperLogLog：
   • 用于估算集合中元素的基数（不重复元素的数量），在空间上比精确计数更加节省。
8. 地理空间索引（Geospatial Index）：
   • 通过经纬度坐标来表示位置信息，支持对地理位置进行范围查询和排序。

这些数据结构使得Redis成为一种灵活且高性能的存储系统，适用于多种应用场景，包括缓存、队列、计数器、实时排行榜等。通过选择合适的数据结构，可以更好地满足不同业务需求。

二、字符串（String）

在Redis中，字符串（String）是最基本的数据结构之一，它是二进制安全的，可以包含任意类型的数据，比如文本、JSON、甚至是图片。每个字符串都有一个相关联的键（key），通过这个键，可以对字符串进行读取、写入和删除等操作。
以下是一些常用的Redis字符串命令：

1. SET key value：

   • 设置键key的值为value。

   SET mykey "Hello Redis"
   

2. GET key：

   • 获取键key的值。

   GET mykey
   

3. MSET key1 value1 key2 value2 …：

   • 设置多个键值对。

   MSET key1 "value1" key2 "value2" key3 "value3"
   

4. MGET key1 key2 …：

   • 获取多个键的值。

   MGET key1 key2 key3
   

5. APPEND key value：

   • 在键key的值后面追加value。

   APPEND mykey " World"
   

   如果mykey最初的值是"Hello Redis"，执行后变成"Hello Redis World"。

6. STRLEN key：

   • 获取键key的值的长度。

   STRLEN mykey
   

7. INCR key：

   • 将键key的值增加1。

   INCR counter
   

   如果counter最初的值是5，执行后变成6。

8. DECR key：

   • 将键key的值减少1。

   DECR counter
   

   如果counter最初的值是5，执行后变成4。

字符串在Redis中不仅可以存储简单的文本数据，还可以用于实现各种高级的数据结构，例如计数器、分布式锁等。它的灵活性和高性能使得Redis成为一个强大的缓存和数据存储解决方案。

三、列表（List）

在Redis中，列表（List）是一个有序的字符串元素集合，允许在列表的两端执行插入和删除操作。每个元素都有一个索引，可以通过索引来访问元素，同时支持在列表的任意位置进行元素的插入和删除。这使得列表在实现队列、栈等数据结构时非常方便。
以下是一些常用的Redis列表命令：

1. LPUSH key value [value …]：
   • 将一个或多个值插入到列表key的头部。

   LPUSH mylist "world" "hello"
   

   如果mylist最初为空，执行后mylist的值为[“hello”, “world”]。
2. RPUSH key value [value …]：
   • 将一个或多个值插入到列表key的尾部。

   RPUSH mylist "hello" "world"
   

   如果mylist最初为空，执行后mylist的值为[“hello”, “world”]。
3. LPOP key：
   • 移除并返回列表key的头部元素。

   LPOP mylist
   

   如果mylist的值为[“hello”, “world”]，执行后返回"hello"，mylist的值变为[“world”]。
4. RPOP key：
   • 移除并返回列表key的尾部元素。

   RPOP mylist
   

   如果mylist的值为[“hello”, “world”]，执行后返回"world"，mylist的值变为[“hello”]。
5. LRANGE key start stop：
   • 返回列表key中指定范围内的元素。

   LRANGE mylist 0 -1
   

   返回列表mylist中所有元素。
6. LINDEX key index：
   • 返回列表key中指定索引的元素。

   LINDEX mylist 1
   

   返回列表mylist中索引为1的元素，如果列表不存在或索引越界，返回nil。
7. LLEN key：
   • 返回列表key的长度。

   LLEN mylist
   

8. LINSERT key BEFORE|AFTER pivot value：
   • 在列表key中的元素pivot的前或后插入值value。

   LINSERT mylist BEFORE "world" "there"
   

   如果mylist的值为[“hello”, “world”]，执行后mylist的值变为[“hello”, “there”, “world”]。

Redis列表常用于实现队列和栈，也可以用于存储有序的元素集合。由于列表是有序的，可以进行范围查询，使其在一些场景中非常有用。

四、集合（Set）

在Redis中，集合（Set）是一种无序的字符串元素集合，其中的每个元素都是唯一的，不允许重复。Redis的集合数据结构提供了一系列的操作，可以进行交集、并集、差集等操作，使其非常适用于处理无重复元素的场景。
以下是一些常用的Redis集合命令：

1. SADD key member [member …]：

   • 向集合key中添加一个或多个成员。

   SADD myset "member1" "member2"
   

   如果myset最初为空，执行后myset的值为[“member1”, “member2”]。

2. SMEMBERS key：

   • 返回集合key中的所有成员。

   SMEMBERS myset
   

3. SISMEMBER key member：

   • 判断member是否是集合key的成员。

   SISMEMBER myset "member1"
   

   如果"member1"是myset的成员，返回1；否则返回0。

4. SCARD key：

   • 返回集合key的基数（集合中元素的数量）。

   SCARD myset
   

5. SREM key member [member …]：

   • 移除集合key中的一个或多个成员。

   SREM myset "member1"
   

   如果"member1"是myset的成员，执行后myset中不再包含"member1"。

6. SUNION key [key …]：

   • 返回所有给定集合的并集。

   SUNION set1 set2
   

7. SINTER key [key …]：

   • 返回所有给定集合的交集。

   SINTER set1 set2
   

8. SDIFF key [key …]：

   • 返回所有给定集合的差集。

   SDIFF set1 set2
   

集合可以用于存储一组唯一的元素，例如用户标签、好友列表等。由于集合提供了高效的成员判断和集合操作，它在很多场景下都能提供便利的解决方案。

五、有序集合（Sorted Set）

有序集合（Sorted Set）是Redis中的一种数据结构，与集合类似，但每个元素都关联了一个分数（score）。这个分数用于对集合中的元素进行排序，使得有序集合在一些场景中非常有用，比如排行榜、计分系统等。
以下是一些常用的Redis有序集合命令：

1. ZADD key score member [score member …]：
   • 向有序集合key中添加一个或多个成员，每个成员都有一个关联的分数。

   ZADD myzset 90 "Alice" 85 "Bob" 95 "Charlie"
   

   在这个例子中，"Alice"的分数是90，"Bob"的分数是85，"Charlie"的分数是95。
2. ZCARD key：
   • 返回有序集合key的基数（元素的数量）。

   ZCARD myzset
   

3. ZSCORE key member：
   • 返回有序集合key中成员member的分数。

   ZSCORE myzset "Alice"
   

4. ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：
   • 返回有序集合key中指定范围内的成员。

   ZRANGE myzset 0 -1 WITHSCORES
   

   返回有序集合myzset中所有成员和它们的分数。
5. ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]：
   • 返回有序集合key中指定范围内的成员，按照分数从高到低排序。

   ZREVRANGE myzset 0 -1 WITHSCORES
   

6. ZINCRBY key increment member：
   • 将有序集合key中成员member的分数增加increment。

   ZINCRBY myzset 5 "Alice"
   

   如果"Alice"原来的分数是90，执行后变成95。
7. ZREM key member [member …]：
   • 移除有序集合key中的一个或多个成员。

   ZREM myzset "Bob"
   

   如果"Bob"是myzset的成员，执行后myzset中不再包含"Bob"。

有序集合常用于需要按照一定顺序排列元素的场景，比如排行榜、计分系统、范围查询等。由于有序集合提供了高效的分数排序和范围查询，它在这些场景中表现出色。

六、哈希表（Hash）

在Redis中，哈希表（Hash）是一种存储键值对的数据结构，其中的每个键值对被存储在一个哈希桶（hash bucket）中。哈希表适用于存储对象，其中每个字段都是对象的属性，而每个字段对应的值是属性的值。Redis中的哈希表允许在O(1)的时间复杂度内进行插入、删除和查找操作。
以下是一些常用的Redis哈希表命令：

1. HSET key field value：
   • 设置哈希表key中字段field的值为value。

   HSET user:1000 username "alice"
   

2. HGET key field：
   • 获取哈希表key中字段field的值。

   HGET user:1000 username
   

3. HMSET key field1 value1 [field2 value2 …]：
   • 设置哈希表key中多个字段的值。

   HMSET user:1000 username "alice" age 25 email "[email protected]"
   

4. HMGET key field1 [field2 …]：
   • 获取哈希表key中多个字段的值。

   HMGET user:1000 username age email
   

5. HDEL key field1 [field2 …]：
   • 删除哈希表key中的一个或多个字段。

   HDEL user:1000 age
   

   如果user:1000的哈希表中包含字段"age"，执行后删除该字段。
6. HGETALL key：
   • 获取哈希表key中所有字段和值。

   HGETALL user:1000
   

   返回一个包含所有字段和值的数组。
7. HKEYS key：
   • 获取哈希表key中所有字段的名称。

   HKEYS user:1000
   

   返回一个包含所有字段名称的数组。
8. HVALS key：
   • 获取哈希表key中所有字段的值。

   HVALS user:1000
   

   返回一个包含所有字段值的数组。

哈希表在存储结构化数据时非常有用，可以将一个对象的属性存储在一个哈希表中，以便于对属性的单独访问。这使得哈希表成为处理用户数据、配置信息等的良好选择。

七、Bitmaps

在Redis中，Bitmaps 是一种位图数据结构，它允许对位进行高效的存储和操作。每个位都只能是0或1，因此位图通常用于表示某种状态或者标记，例如记录用户的在线状态、统计用户活跃度、标记某些事件是否发生等。
以下是一些常用的 Redis 位图命令：

1. SETBIT key offset value：
   • 将位图 key 中的偏移量 offset 的位设置为 value（0 或 1）。

   SETBIT mybitmap 2 1
   

   设置 mybitmap 中偏移量为 2 的位为 1。
2. GETBIT key offset：
   • 获取位图 key 中偏移量 offset 的位的值。

   GETBIT mybitmap 2
   

   返回 mybitmap 中偏移量为 2 的位的值。
3. BITCOUNT key [start end]：
   • 统计位图 key 中值为 1 的位的数量。

   BITCOUNT mybitmap
   

   如果需要统计某个范围内的位，可以使用可选的参数 start 和 end。
4. BITOP operation destkey key [key …]：
   • 对一个或多个位图进行按位操作，并将结果保存到目标位图 destkey 中。操作可以是 AND、OR、XOR、NOT。

   BITOP AND myresultbitmap bitmap1 bitmap2
   

   将 bitmap1 和 bitmap2 进行按位 AND 操作，结果保存到 myresultbitmap 中。
5. BITPOS key bit [start] [end]：
   • 在位图 key 中寻找第一个值为 bit 的位，返回偏移量。可以指定搜索的范围。

   BITPOS mybitmap 1
   

   返回 mybitmap 中第一个值为 1 的位的偏移量。

Bitmaps 是一种非常节省空间的数据结构，尤其适用于需要对大量二进制状态进行快速操作的场景。它可以用于记录用户在线状态、进行用户活跃度统计、处理标志位等情况。

八、HyperLogLog

HyperLogLog 是一种用于估计基数（集合中不同元素的数量）的概率性数据结构。在 Redis 中，HyperLogLog 提供了一种高效的方法来估计集合中唯一元素的数量，而不需要存储集合的所有元素。
以下是一些常用的 Redis HyperLogLog 命令：

1. PFADD key element [element …]：
   • 向 HyperLogLog 结构中添加元素。

   PFADD myloglog "item1" "item2" "item3"
   

2. PFCOUNT key [key …]：
   • 返回 HyperLogLog 结构的基数估计。

   PFCOUNT myloglog
   

   可以提供多个 HyperLogLog 结构的键，返回这些结构的并集的基数估计。
3. PFMERGE destkey sourcekey [sourcekey …]：
   • 将多个 HyperLogLog 结构合并为一个 HyperLogLog 结构。

   PFMERGE destinationKey sourceKey1 sourceKey2
   

   将 sourceKey1 和 sourceKey2 合并为 destinationKey。

HyperLogLog 具有很小的存储空间需求，可以用较小的内存空间估计大规模数据集的基数。然而，由于其概率性质，其估计值可能会略微偏离实际值。在对基数估计要求不是非常精确的情况下，HyperLogLog 是一个高效的选择。典型的应用场景包括统计 UV（独立访客）数量、统计用户活跃度等。

九、地理空间索引（Geospatial Index）

Redis 的地理空间索引（Geospatial Index）提供了存储和查询地理位置信息的能力。这个功能使得 Redis 不仅仅是一个键值存储，还能够处理和分析与地理位置相关的数据。
以下是一些常用的 Redis 地理空间索引命令：

1. GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member …]：
   • 将指定的地理位置（经度、纬度）与成员关联，并存储到指定的键 key 中。

   GEOADD locations 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"
   

2. GEOPOS key member [member …]：
   • 返回指定成员的地理位置（经度和纬度）。

   GEOPOS locations "Palermo" "Catania"
   

3. GEODIST key member1 member2 [unit]：
   • 返回两个成员之间的距离，默认以米为单位。可选的单位包括 m（米）、km（千米）、mi（英里）、ft（英尺）。

   GEODIST locations "Palermo" "Catania" km
   

4. GEORADIUS key longitude latitude radius m|km|mi|ft [WITHDIST] [WITHCOORD] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]：
   • 从指定的地理位置键中找到半径范围内的成员。

   GEORADIUS locations 15 37 200 km WITHDIST WITHCOORD COUNT 5
   

   返回半径 200 公里以内的最多 5 个成员，并包括距离和坐标信息。
5. GEORADIUSBYMEMBER key member radius m|km|mi|ft [WITHDIST] [WITHCOORD] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]：
   • 从指定的地理位置键中找到指定成员周围的成员。

   GEORADIUSBYMEMBER locations "Palermo" 100 km WITHDIST WITHCOORD COUNT 5
   

   返回距离 “Palermo” 不超过 100 公里的最多 5 个成员，并包括距离和坐标信息。

Redis 的地理空间索引使得开发者能够在 Redis 中存储地理位置信息，并通过各种查询命令进行位置相关的搜索和分析，非常适用于需要处理地理信息的应用场景，如地图服务、位置服务等。

十、总结

Redis是一款高性能的开源内存数据库，支持多种数据结构。字符串用于存储任意二进制数据，列表是有序的字符串元素集合，集合是无序的字符串元素集合，有序集合在集合的基础上增加了分数排序。哈希表用于存储键值对，Bitmaps用于位操作，HyperLogLog提供基数估计，而Geospatial Index处理地理位置信息。这些灵活多样的数据结构使得Redis适用于缓存、队列、计数器、实时排行榜等多种应用场景。 Redis以其高效的性能和丰富的功能成为一种强大的存储和数据处理解决方案。