Redis 特殊数据类型
2024-11-21 09:25:53 # Technical # Redis #Redis

redis 除了 string、hash、list、set、zset 这五种基础类型外，还有四种较为特殊的类型

BitMap

位图，是一串连续的二进制数组（0 和 1），可以通过偏移量（offset）定位元素。BitMap 通过最小的单位 bit 来进行 0|1 的设置，表示某个元素的值或者状态

Bitmap 本身是用 String 类型作为底层数据结构实现的一种统计二值状态的数据类型

String 类型是会保存为二进制的字节数组，所以，Redis 就把字节数组的每个 bit 位利用起来，用来表示一个元素的二值状态，可以把 Bitmap 看作是一个 bit 数组

SETBIT

语法规则：SETBIT key offset value

对 key 所储存的字符串值，设置或清除指定 offset 上的位（bit）

根据 value 是 1 或 0 来决定设置或清除 bit

0 ≤ offset ≤ 2^32

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> setbit venom:bit 0 1
(integer) 0
> setbit venom:bit 2 1
(integer) 0
> setbit venom:bit 2 0
(integer) 1

返回的是存储在 offset 位置上原来的值

GETBIT

语法规则：GETBIT key offset

获取指定 offset 位置上的 bit

如果 offset 比字符串的长度大，则返回 0

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> getbit venom:bit 0
(integer) 1
> getbit venom:bit 2
(integer) 0

BITCOUNT

语法规则：BITCOUNT key [start end]

统计字符串被设置为 1 的 bit 数

start 和 end 的第一位为 0，最后一位为 -1

start 和 end 为空时，统计整个字符串

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> bitcount venom:bit
(integer) 1

BITFIELD

语法规则：BITFIELD key [GET type offset] [SET type offset value] [INCRBY type offset increment] [OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL]

  • [GET type offset]：用于获取指定位上的值
    • type：要获取值得类型，可以是 u8、u16、u32、i5（无符号8、16、32位整数或有符号5位整数）
    • offset：要获取的位的偏移量
  • [SET type offset value]：用于设置指定位的值
    • type：同上
    • offset：要设置的位的偏移量
    • value：要设置的值
  • [INCRBY type offset increment]：用于增减指定位上的值
    • type：同上
    • offset：要增减位的偏移量
    • increment：增减幅度
  • [OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL]：用于指定溢出的处理方式
    • WRAP：循环溢出，比如说，如果我们对一个值为 127 的 i8 整数执行加一操作，那么将得到结果 -128
    • SAT：饱和溢出，比如说，如果我们对一个值为 127 的 i8 整数执行加一操作，那么将为 i8 类型所能储存的最大整数值 127
    • FAIL：失败，拒绝执行那些会导致上溢或者下溢情况出现的计算，并向用户返回空值表示计算未被执行

BITFIELD 允许在字符串中执行多个位操作，如设置、获取和增减指定位的值

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# 给 venom:bit2 设置一个偏移量为 7 的 5 位无符号整数 23（10111）
> biefield venom:bit2 set u5 7 23
1) (integer) 0
# 00000001 01110000
> getbit venom:bit2 7
(integer) 1
> getbit venom:bit2 9
(integer) 1
> getbit venom:bit2 10
(integer) 1
> getbit venom:bit2 11
(integer) 1
> get venom:bit2
"\x01p"

将十六进制的 \x01p 转为二进制字符串

十六进制的 01 转为二进制为：00000001

p 的 ASCII 值为 112 转为二进制为：01110000

Java 转换代码：

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public class HexToBinary {

    public static void main(String[] args) {
        String hexString = "\\x01p";
        String binaryString = hexToBinary(hexString);
        System.out.println(binaryString);
    }

    public static String hexToBinary(String hexString) {
        StringBuilder binary = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < hexString.length(); i++) {
            char c = hexString.charAt(i);
            if (c == '\\' && i + 1 < hexString.length() && hexString.charAt(i + 1) == 'x') {
                // 处理 \x 后的十六进制字符
                String hex = hexString.substring(i + 2, i + 4);
                int value = Integer.parseInt(hex, 16);
                binary.append(String.format("%8s", Integer.toBinaryString(value)).replace(' ', '0'));
                i += 3; // 跳过 \x 后的两个字符
            } else {
                // 处理普通字符
                binary.append(String.format("%8s", Integer.toBinaryString(c)).replace(' ', '0'));
            }
        }
        return binary.toString();
    }
}

BITOP

语法规则：BITOP operation destkey key [key ...]

  • BITOP AND destkey srckey1 srckey2 srckey3 ... srckeyN 对一个或多个 key 求逻辑与，并将结果保存到 destkey
  • BITOP OR destkey srckey1 srckey2 srckey3 ... srckeyN 对一个或多个 key 求逻辑或，并将结果保存到 destkey
  • BITOP NOT destkey srckey 对给定 key 求逻辑非，并将结果保存到 destkey
  • BITOP XOR destkey srckey1 srckey2 srckey3 ... srckeyN 对一个或多个 key 求逻辑异或，并将结果保存到 destkey

注：除了 NOT 操作之外，其他操作都可以接受一个或多个 key 作为输入。保存到 destkey 的字符串的长度，和输入 key 中最长的字符串长度相等

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> set venom:bit3 abcdef
OK
> set venom:bit4 ghijkl
OK
> bitop and venom:bit5 venom:bit3 venom:bit4
(integer) 6
> get venom:bit5
"a`a`ad"

BITPOS

语法规则：BITPOS key bit [start] [end]

返回字符串里面第一个被设置为 1 或者 0 的 bit 位

默认情况下整个字符串都会被检索一次，只有在指定 start 和 end 参数，该范围被解释为一个字节的范围，而不是一系列的位。所以 start=0 并且 end=2 是指前三个字节范围内查找

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# 设置：111111111111000000000000
> set venom:bit3 "\xff\xf0\x00"
OK
# 第一个 0 的位置
> bitpos venom:bit3 0
(integer) 12
> set venom:bit3 "\x00\xff\xf0"
OK
# 第一个 1 的位置
> bitpos venom:bit3 1
(integer) 8
# 从 16 开始第一个 1 的位置
> bitpos venom:bit3 1 2
(integer) 16
> set venom:bit3 "\x00\x00\x00"
OK
> bitpos venom:bit3 1
(integer) -1

应用场景

  • 签到打卡：Bitmap 类型非常适合二值状态统计的场景，在记录海量数据时，Bitmap 能够有效地节省内存空间

HyperLogLog

HyperLogLog 是 Redis 2.8.9 版本新增的数据类型，是一种用于「统计基数」的数据集合类型，基数统计就是指统计一个集合中不重复的元素个数。但要注意，HyperLogLog 是统计规则是基于概率完成的，不是非常准确，标准误算率是 0.81%

什么是基数：比如数据集 {1, 3, 5, 7, 5, 7, 8}， 那么这个数据集的基数集为 {1, 3, 5 ,7, 8}, 基数（不重复元素）为 5。 基数估计就是在误差可接受的范围内，快速计算基数

HyperLogLog 的优势在于只需要花费 12 KB 内存，就可以计算接近 2^64 个元素的基数，和元素越多就越耗费内存的 Set 和 Hash 类型相比，HyperLogLog 就非常节省空间

因为 HyperLogLog 只会根据输入元素来计算基数，而不会储存输入元素本身，所以 HyperLogLog 不能像集合那样，返回输入的各个元素

PFADD

语法规则：PFADD key element [element ...]

将所有元素参数添加到 HyperLogLog 数据结构中

如果 HyperLogLog 估计的近似基数（approximated cardinality）在命令执行之后出现了变化，那么命令返回 1， 否则返回 0

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> pfadd venom:hll a
(integer) 1
> pfadd venom:hll b
(integer) 1
> pfadd venom:hll c
(integer) 1
> pfadd venom:hll c
(integer) 0
> pfadd venom:hll c
(integer) 0

PFCOUNT

语法规则：PFCOUNT key [key ...]

返回给定 HyperLogLog 的基数估算值

当 PFCOUNT 命令作用于单个键时，返回储存在给定键的 HyperLogLog 的近似基数， 如果键不存在， 那么返回 0

当 PFCOUNT 命令作用于多个键时， 返回所有给定 HyperLogLog 的并集的近似基数，这个近似基数是通过将所有给定 HyperLogLog 合并至一个临时 HyperLogLog 来计算得出的

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> pfcount venom:hll
(integer) 3
> pfadd venom:hll d
(integer) 1
> pfcount venom:hll
(integer) 4

PFMERGE

语法规则：PFMERGE destkey sourcekey [sourcekey ...]

将多个 HyperLogLog 合并为一个 HyperLogLog，合并后的 HyperLogLog 的基数估算值是通过对所有给定 HyperLogLog 进行并集计算得出的

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> pfadd venom:hll2 1 2 3 4 0 1 2 3 4
(integer) 1
> pfcount venom:hll2
(integer) 5
> pfmerge venom:hll3 venom:hll venom:hll2
OK
> pfcount venom:hll3
(integer) 9

应用场景

  • 百万级网页 UV 计数：在统计 UV 时，你可以用 PFADD 命令把访问页面的每个用户都添加到 HyperLogLog 中，然后就可以用 PFCOUNT 命令直接获得 page1 的 UV 大概值了

GEO

GEO 是 Redis 3.2 版本新增的数据类型，主要用于存储地理位置信息，并对存储的信息进行操作

在日常生活中，我们越来越依赖搜索“附近的餐馆”、在打车软件上叫车，这些都离不开基于位置信息服务（Location-Based Service，LBS）的应用。LBS 应用访问的数据是和人或物关联的一组经纬度信息，而且要能查询相邻的经纬度范围，GEO 就非常适合应用在 LBS 服务的场景中

GEO 本身并没有设计新的底层数据结构，而是直接使用了 Sorted Set 集合类型

GEO 类型使用 GeoHash 编码方法实现了经纬度到 Sorted Set 中元素权重分数的转换，这其中的两个关键机制就是「对二维地图做区间划分」和「对区间进行编码」。一组经纬度落在某个区间后，就用区间的编码值来表示，并把编码值作为 Sorted Set 元素的权重分数

这样一来，我们就可以把经纬度保存到 Sorted Set 中，利用 Sorted Set 提供的“按权重进行有序范围查找”的特性，实现 LBS 服务中频繁使用的“搜索附近”的需求

GEOADD

语法规则：GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member ...]

存储指定的地理空间位置，可以将一个或多个经度（longitude）、纬度（latitude）、位置名称（member）添加到指定的 key 中

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# 深圳北站 深圳东站 深圳站
> geoadd venom:geo 114.029513 22.609926 "Shenzhen North Railway Station" 114.119378 22.601923 "Shenzhen East Railway Station" 114.118005 22.531859 "Shenzhen Railway Station"
(integer) 3

GEOPOS

语法规则：GEOPOS key member [member ...]

从给定的 key 里返回所有指定名称（member）的位置（经度和纬度），不存在的返回 nil

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> geopos venom:geo "Shenzhen Railway Station"
1) 1) "114.11800235509872437"
   2) "22.53186004825492716"

GEODIST

语法规则：GEODIST key member1 member2 [m|km|ft|mi]

  • m：米
  • km：千米
  • ft：英尺
  • mi：英里

返回两个给定位置之间的距离

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# 深圳北站到深圳站的直线距离
> geodist venom:geo "Shenzhen North Railway Station" "Shenzhen Railway Station" km
"12.5698"

GEORADIUS

语法规则：GEORADIUS key longitude latitude radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]

  • WITHHASH：以 52 位有符号整数的形式， 返回位置元素经过原始 geohash 编码的有序集合分值。 这个选项主要用于底层应用或者调试， 实际中的作用并不大
  • WITHCOORD：将位置元素的经度和维度也一并返回
  • WITHDIST：在返回位置元素的同时，将位置元素与中心之间的距离也一并返回
  • COUNT：限定返回的记录数
  • ASC：查找结果根据距离从近到远排序
  • DESC：查找结果根据从远到近排序

以给定的经纬度为中心， 返回键包含的位置元素当中， 与中心的距离不超过给定最大距离的所有位置元素

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# 以 [114.069118,22.606168] 为中心搜索 5km 内的元素并返回元素与中心的距离
> georadius venom:geo 114.069118 22.606168 5 km withdist
1) 1) "Shenzhen North Railway Station"
   2) "4.0883"

GEORADIUSBYMEMBER

语法规则：GEORADIUSBYMEMBER key member radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]

与 GEORADIUS 类似，不同的是，中心点是由元素决定的，而不是经纬度

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# 深圳南站 10km 内的元素
> georadiusbymember venom:geo "Shenzhen North Railway Station" 10 km withdist
1) 1) "Shenzhen North Railway Station"
   2) "0.0000"
2) 1) "Shenzhen East Railway Station"
   2) "9.2702"

GEOHASH

语法规则：GEOHASH key member [member ...]

获取一个或多个位置元素的 geohash 值

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> geohash venom:geo "Shenzhen North Railway Station" "Shenzhen East Railway Station" "Shenzhen Railway Station"
1) "ws10du1b250"
2) "ws10sfe1wp0"
3) "ws10hvf1w50"

应用场景

  • 地图两点间的距离
  • 指定中心范围内的元素

Stream

Stream 是 Redis 5.0 版本新增加的数据类型，Redis 专门为消息队列设计的数据类型

在 Redis 5.0 Stream 没出来之前，消息队列的实现方式都有着各自的缺陷，例如：

  • 发布订阅模式，不能持久化也就无法可靠的保存消息，并且对于离线重连的客户端不能读取历史消息的缺陷
  • List 实现消息队列的方式不能重复消费，一个消息消费完就会被删除，而且生产者需要自行实现全局唯一 ID

基于以上问题，Redis 5.0 便推出了 Stream 类型也是此版本最重要的功能，用于完美地实现消息队列，它支持 消息的持久化、支持 自动生成全局唯一 ID、支持 ack 确认消息 的模式、支持 消费组模式 等，让消息队列更加的稳定和可靠

Stream 结构

  • Consumer group：消费组，使用 XGROUP CREATE 命令创建，一个消费组有多个消费者（Consumer）
  • Last_delivered_id：游标，每个消费组会有一个游标，任意一个消费者读取了消息都会使游标往前移动
  • Pending_ids：消费者的状态变量，记录了当前已经被客户端读取的消息，但是还没有 ack 的 id

每个 Stream 都有唯一的名称，它就是 Redis 的 key，在我们首次使用 xadd 指令追加消息时自动创建

XADD

语法规则：XADD key ID field value [field value ...]

  • key：队列名称，如果不存在就创建
  • ID：消息 id，我们使用 * 表示由 redis 生成，可以自定义，但是要自己保证递增性
  • field value：键值对记录

向队列添加消息，如果指定的队列不存在，则创建一个队列

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> xadd venom:stream * s1 aaa s2 bbb s3 ccc
"1698057730446-0"

XLEN

语法规则：XLEN key

获取流包含的元素数量，即消息长度

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> xlen venom:stream
(integer) 1

XRANGE

语法规则：XRANGE key start end [COUNT count]

  • key：队列名称
  • start：开始值，- 表示最小值
  • end：结束值，+ 表示最大值
  • count：数量

获取消息列表，会自动过滤已经删除的消息

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> xrange venom:stream - +
1) 1) "1698057730446-0"
   2) 1) "s1"
      2) "aaa"
      3) "s2"
      4) "bbb"
      5) "s3"
      6) "ccc"

XTRIM

语法规则：XTRIM key MAXLEN [~] count

  • key：队列名称
  • MAXLEN：长度
  • count：数量

对流进行修剪，限制长度

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> xtrim venom:stream MAXLEN 2
(integer) 0

XDEL

语法规则：XDEL key ID [ID ...]

  • key：队列名称
  • ID：消息 ID

删除消息

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> xdel venom:stream 1698057730446-0
(integer) 1

XREVRANGE

语法规则：XREVRANGE key end start [COUNT count]

与 XRANGE 类似，获取消息列表，不过是倒序的

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> xadd venom:stream * name venom age 18
"1698058235854-0"
> xadd venom:stream * name xiaoming age 20
"1698058248778-0"
> xadd venom:stream * name xiaobai age 10
"1698058261843-0"
> xrange venom:stream - +
1) 1) "1698058235854-0"
   2) 1) "name"
      2) "venom"
      3) "age"
      4) "18"
2) 1) "1698058248778-0"
   2) 1) "name"
      2) "xiaoming"
      3) "age"
      4) "20"
3) 1) "1698058261843-0"
   2) 1) "name"
      2) "xiaobai"
      3) "age"
      4) "10"
> xrevrange venom:stream + -
1) 1) "1698058261843-0"
   2) 1) "name"
      2) "xiaobai"
      3) "age"
      4) "10"
2) 1) "1698058248778-0"
   2) 1) "name"
      2) "xiaoming"
      3) "age"
      4) "20"
3) 1) "1698058235854-0"
   2) 1) "name"
      2) "venom"
      3) "age"
      4) "18"

XREAD

语法规则：XREAD [COUNT count] [BLOCK milliseconds] STREAMS key [key ...] id [id ...]

  • count：可选，读取数量，默认读取所有
  • milliseconds：可选，阻塞毫秒数，默认是非阻塞式
  • key：队列名称
  • id：消息 ID

以阻塞或非阻塞方式获取消息

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> xread streams venom:stream 0-0
1) 1) "venom:stream"
   2) 1) 1) "1698058235854-0"
         2) 1) "name"
            2) "venom"
            3) "age"
            4) "18"
      2) 1) "1698058248778-0"
         2) 1) "name"
            2) "xiaoming"
            3) "age"
            4) "20"
      3) 1) "1698058261843-0"
         2) 1) "name"
            2) "xiaobai"
            3) "age"
            4) "10"
> xread streams venom:stream 1698058235854-0
1) 1) "venom:stream"
   2) 1) 1) "1698058248778-0"
         2) 1) "name"
            2) "xiaoming"
            3) "age"
            4) "20"
      2) 1) "1698058261843-0"
         2) 1) "name"
            2) "xiaobai"
            3) "age"
            4) "10"

XGROUP CREATE

语法规则：XGROUP [CREATE key groupname id-or-$] [SETID key groupname id-or-$] [DESTROY key groupname] [DELCONSUMER key groupname consumername]

  • key：队列名称，不存在则创建
  • groupname：消费组名称
  • $：从尾部开始消费，只接收新的消息

创建从头开始消费的消费者组（如同 kafka 中的 earliest）

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> xgroup create venom:stream consumer-group-earliest 0-0
OK

创建从最新的消息开始消费的消费组（如同 kafka 中的 latest）

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2
> xgroup create venom:stream consumer-group-latest $
OK

XREADGROUP GROUP

语法规则：XREADGROUP GROUP group consumer [COUNT count] [BLOCK milliseconds] [NOACK] STREAMS key [key ...] ID [ID ...]

  • group：消费组名称
  • consumer：消费者名称
  • count：读取数量
  • milliseconds：阻塞毫秒数
  • key：队列名称
  • ID：消息 ID

读取消费组中的消息

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> xreadgroup group consumer-group-earliest consumer-01 count 1 streams venom:stream >
1) 1) "venom:stream"
   2) 1) 1) "1698058235854-0"
         2) 1) "name"
            2) "venom"
            3) "age"
            4) "18"
> xreadgroup group consumer-group-earliest consumer-01 count 1 streams venom:stream >
1) 1) "venom:stream"
   2) 1) 1) "1698058248778-0"
         2) 1) "name"
            2) "xiaoming"
            3) "age"
            4) "20"
> xreadgroup group consumer-group-earliest consumer-01 count 1 streams venom:stream >
1) 1) "venom:stream"
   2) 1) 1) "1698058261843-0"
         2) 1) "name"
            2) "xiaobai"
            3) "age"
            4) "10"
> xreadgroup group consumer-group-earliest consumer-01 count 1 streams venom:stream >
(nil)

应用场景

  • 消息队列

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