Redis 有序集合對象底層實現是怎樣的

Redis 有序集合對象底層實現是怎樣的

引言

Redis 是一個高性能的鍵值存儲系統，支持多種數據結構，如字符串、列表、集合、哈希表等。其中，有序集合（Sorted Set）是 Redis 中一種非常強大的數據結構，它結合了集合和有序列表的特性。有序集合中的每個元素都有一個分數（score），元素根據分數進行排序，并且每個元素都是唯一的。

本文將深入探討 Redis 有序集合對象的底層實現，包括其數據結構、操作原理以及性能優化等方面。

有序集合的基本概念

在 Redis 中，有序集合（Sorted Set）是一個包含多個元素的集合，每個元素都有一個分數（score），并且元素根據分數進行排序。有序集合中的元素是唯一的，但分數可以相同。

有序集合的常見操作包括：

• 添加元素：ZADD key score member
• 刪除元素：ZREM key member
• 獲取元素分數：ZSCORE key member
• 獲取元素排名：ZRANK key member
• 獲取范圍內的元素：ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
• 獲取分數范圍內的元素：ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES]

有序集合的底層數據結構

Redis 有序集合的底層實現主要依賴于兩種數據結構：跳躍表（Skip List）和哈希表（Hash Table）。這兩種數據結構各有優缺點，Redis 通過結合它們來實現高效的有序集合操作。

1. 跳躍表（Skip List）

跳躍表是一種有序的數據結構，它通過多級索引來加速查找操作。跳躍表的平均時間復雜度為 O(log n)，最壞情況下為 O(n)。

跳躍表的結構

跳躍表由多個層級組成，每個層級都是一個有序的鏈表。最底層（Level 0）包含所有的元素，而每一層都是下一層的子集。每個節點包含一個指向下一個節點的指針數組，數組的長度決定了節點的層級。

typedef struct zskiplistNode {
    robj *obj;  // 元素對象
    double score;  // 分數
    struct zskiplistNode *backward;  // 后退指針
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;  // 前進指針
        unsigned int span;  // 跨度
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;  // 頭節點和尾節點
    unsigned long length;  // 節點數量
    int level;  // 最大層級
} zskiplist;

跳躍表的操作

• 插入操作：插入一個新元素時，首先需要確定插入的位置，然后更新各個層級的指針。插入操作的平均時間復雜度為 O(log n)。
• 刪除操作：刪除一個元素時，需要找到該元素并更新各個層級的指針。刪除操作的平均時間復雜度為 O(log n)。
• 查找操作：查找一個元素時，從最高層級開始，逐步向下查找。查找操作的平均時間復雜度為 O(log n)。

2. 哈希表（Hash Table）

哈希表是一種通過哈希函數將鍵映射到值的數據結構。哈希表的平均時間復雜度為 O(1)，但在最壞情況下可能退化為 O(n)。

哈希表的結構

Redis 中的哈希表使用鏈地址法來解決哈希沖突。每個哈希表節點包含一個鍵值對，以及指向下一個節點的指針。

typedef struct dictEntry {
    void *key;  // 鍵
    union {
        void *val;
        uint64_t u64;
        int64_t s64;
        double d;
    } v;  // 值
    struct dictEntry *next;  // 指向下一個節點的指針
} dictEntry;

typedef struct dictht {
    dictEntry **table;  // 哈希表數組
    unsigned long size;  // 哈希表大小
    unsigned long sizemask;  // 哈希表大小掩碼
    unsigned long used;  // 已使用的節點數量
} dictht;

typedef struct dict {
    dictType *type;  // 類型特定函數
    void *privdata;  // 私有數據
    dictht ht[2];  // 兩個哈希表
    long rehashidx;  // rehash 索引
    unsigned long iterators;  // 當前正在運行的迭代器數量
} dict;

哈希表的操作

• 插入操作：插入一個新鍵值對時，首先計算鍵的哈希值，然后根據哈希值找到對應的桶，最后將新節點插入到鏈表中。插入操作的平均時間復雜度為 O(1)。
• 刪除操作：刪除一個鍵值對時，首先計算鍵的哈希值，然后找到對應的桶，最后從鏈表中刪除該節點。刪除操作的平均時間復雜度為 O(1)。
• 查找操作：查找一個鍵值對時，首先計算鍵的哈希值，然后找到對應的桶，最后在鏈表中查找該節點。查找操作的平均時間復雜度為 O(1)。

3. 有序集合的結合實現

Redis 有序集合通過結合跳躍表和哈希表來實現高效的操作。具體來說，跳躍表用于維護元素的有序性，而哈希表用于快速查找元素的分數。

有序集合的結構

typedef struct zset {
    dict *dict;  // 哈希表，用于快速查找元素的分數
    zskiplist *zsl;  // 跳躍表，用于維護元素的有序性
} zset;

有序集合的操作

• 插入操作：插入一個新元素時，首先在哈希表中查找該元素是否已經存在。如果存在，則更新其分數；如果不存在，則在跳躍表中插入新元素，并在哈希表中添加對應的鍵值對。插入操作的平均時間復雜度為 O(log n)。
• 刪除操作：刪除一個元素時，首先在哈希表中查找該元素，然后在跳躍表中刪除該元素，并在哈希表中刪除對應的鍵值對。刪除操作的平均時間復雜度為 O(log n)。
• 查找操作：查找一個元素的分數時，直接在哈希表中查找。查找操作的平均時間復雜度為 O(1)。
• 范圍查詢操作：查找范圍內的元素時，直接在跳躍表中進行范圍查詢。范圍查詢操作的平均時間復雜度為 O(log n + m)，其中 m 是返回的元素數量。

有序集合的性能優化

Redis 有序集合通過結合跳躍表和哈希表來實現高效的操作，但在實際應用中，仍然需要一些性能優化策略。

1. 內存優化

有序集合中的元素和分數都需要占用內存，因此內存優化是一個重要的考慮因素。Redis 通過以下方式來優化內存使用：

• 共享對象：Redis 使用共享對象來減少內存占用。例如，多個有序集合可以共享相同的元素對象。
• 壓縮列表：對于較小的有序集合，Redis 使用壓縮列表（ziplist）來存儲元素和分數。壓縮列表是一種緊湊的數據結構，可以減少內存占用。

2. 性能優化

有序集合的操作性能直接影響 Redis 的整體性能，因此性能優化也是一個重要的考慮因素。Redis 通過以下方式來優化性能：

• 跳躍表的層級優化：跳躍表的層級越高，查找速度越快，但插入和刪除操作的代價也越高。Redis 通過動態調整跳躍表的層級來平衡查找和更新操作的性能。
• 哈希表的 rehash 優化：當哈希表的負載因子過高時，Redis 會觸發 rehash 操作，將哈希表的大小擴大一倍。為了避免 rehash 操作對性能的影響，Redis 使用漸進式 rehash 策略，逐步將舊哈希表中的元素遷移到新哈希表中。

有序集合的應用場景

有序集合在 Redis 中有廣泛的應用場景，以下是一些常見的應用場景：

1. 排行榜

有序集合非常適合用于實現排行榜功能。例如，可以將用戶的分數作為有序集合的分數，用戶 ID 作為元素，然后通過 ZRANGE 或 ZREVRANGE 命令獲取排行榜。

ZADD leaderboard 1000 user1
ZADD leaderboard 2000 user2
ZADD leaderboard 1500 user3
ZREVRANGE leaderboard 0 2 WITHSCORES

2. 時間線

有序集合可以用于實現時間線功能。例如，可以將時間戳作為有序集合的分數，事件 ID 作為元素，然后通過 ZRANGEBYSCORE 命令獲取某個時間段內的事件。

ZADD timeline 1633072800 event1
ZADD timeline 1633076400 event2
ZADD timeline 1633080000 event3
ZRANGEBYSCORE timeline 1633072800 1633080000

3. 優先級隊列

有序集合可以用于實現優先級隊列功能。例如，可以將任務的優先級作為有序集合的分數，任務 ID 作為元素，然后通過 ZPOPMIN 或 ZPOPMAX 命令獲取最高或最低優先級的任務。

ZADD tasks 1 task1
ZADD tasks 3 task2
ZADD tasks 2 task3
ZPOPMIN tasks

總結

Redis 有序集合是一種非常強大的數據結構，它結合了集合和有序列表的特性。有序集合的底層實現主要依賴于跳躍表和哈希表，通過結合這兩種數據結構，Redis 實現了高效的有序集合操作。

在實際應用中，有序集合可以用于實現排行榜、時間線、優先級隊列等功能。通過合理的內存優化和性能優化策略，Redis 有序集合能夠在高并發、大數據量的場景下保持高效的性能。

希望本文能夠幫助讀者深入理解 Redis 有序集合的底層實現，并在實際應用中更好地利用這一強大的數據結構。