Redis数据结构：String类型全面解析

Redis，作为一个开源的、内存中的数据结构存储系统，以其出色的性能和灵活的数据类型，广泛应用于缓存、消息队列、发布订阅系统等多种场景。在 Redis 的五种基本数据类型中， String 类型是最基本也是最常用的一种。它不仅可以存储字符串，还可以存储整数和浮点数，甚至可以执行原子操作，如自增和自减。这使得 Redis 的 String 类型在实际应用中有着广泛的用途，从简单的键值对存储，到复杂的实时系统，都离不开 String 类型的支持。 在接下来的文章中，我将详细介绍 Redis 的 String 类型，包括它的内部实现、主要特性、常用命令以及应用场景。无论你是刚接触 Redis 的新手，还是已经有一定经验的开发者，我相信你都能从这篇文章中学到一些有用的知识。让我们一起深入了解 Redis 的 String 类型，探索它的魅力所在。

1、String数据类型

1.1、String类型简介

Redis 的 String 数据类型是最基本的数据类型，它在内部使用 SDS（Simple Dynamic String）实现。String 类型的值可以是字符串、整数或者浮点数，并且可以对整个字符串或者字符串的其中一部分执行操作。

以下是 Redis String 数据类型的一些主要特性：

1. 二进制安全：String 类型的值可以包含任何数据，例如 jpg 图片或者序列化的对象，因为Redis不会对字符串类型的值做任何解析，而是将其看作是一个字节数组；
2. 最大容量：Redis 的 String 类型的值最大可以存储 512MB 的内容；
3. 原子操作：Redis 的很多操作都是原子的，也就是说，这些操作要么全部执行，要么全部不执行，不会出现部分执行的情况。这对于并发环境下的操作是非常有用的；
4. 整数和浮点数操作：Redis 提供了一些操作，可以将字符串解析为整数或者浮点数，并执行自增或者自减操作

1.2、String应用场景

Redis 的 String 数据类型作为最基本的数据类型，它的应用场景非常广泛，以下是一些常见的应用场景：

1. 缓存：由于Redis的高性能特性，String类型常常被用作缓存，可以将数据库查询结果、网页内容、会话信息等缓存在Redis中，提高系统的读取速度；
2. 计数器：Redis的String类型可以将值解析为整数，并提供了自增（INCR）和自减（DECR）操作，因此可以作为各种计数器使用，例如网页访问量、下载量等；
3. 分布式锁：通过 “SET key value”（只有当 key 不存在时才设置 value）命令，可以实现分布式锁，保证系统的并发安全；
4. 分布式共享：可以将需要在多个系统间共享的数据存储在 Redis 的 String 类型中，例如用户的会话信息等；
5. 限流：通过 INCR 命令和 EXPIRE 命令，可以实现 API 的限流功能，防止系统被过度访问，例如以访问者的 ip 和其他信息作为 key，访问一次增加一次计数，超过次数则返回 false

以上只是一些常见的应用场景，实际上，由于 Redis 的灵活性，我们可以根据自己的需求，将 Redis 的 String 类型应用在更多的场景中。

2、String底层结构

2.1、SDS介绍

Redis 使用 SDS 简单动态字符串（Simple Dynamic String，SDS）来表示字符串，Redis 中字符串类型包含的数据结构有：“整数（R_INT）” 与 “字符串（R_RAW）”

SDS 被广泛应用在 Redis 的各个地方，包括：

1. 作为字符串对象的底层实现：在 Redis 中，所有的键都是字符串，而值可以是五种类型之一，其中包括字符串类型。这些字符串类型的键和值都是由 SDS 实现的；
2. 作为缓冲区：Redis 的客户端和服务器在进行通信时，会使用 SDS 作为输入缓冲区和输出缓冲区，用于存储待发送的命令或者待返回的结果；
3. 作为 AOF 模块的缓冲区：Redis 的 AOF（Append Only File，只追加文件）持久化功能，会把所有修改数据库的命令追加到 AOF 文件的末尾。在追加命令时，Redis 会先把命令追加到一个 SDS 中，然后再把 SDS 写入到 AOF 文件。

2.2、SDS结构

SDS（Simple Dynamic String，简单动态字符串）是 Redis 自己构建的抽象字符串类型，其在 C 语言原生字符串类型的基础上进行了一些改进和扩展。SDS 的主要结构如下：

+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+
|  free   |   len   |  buf    |  buf    |  buf    |  buf    |  buf    |  \0     |
+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+
---------------------------------------------------------------------------------
struct sdshdr {
    // buf数组中已使用字节的数量
    int len;
    // buf数组中未使用字节的数量
    int free;
    // 字节数组，用于保存字符串
    char buf[];
};
---------------------------------------------------------------------------------

这种设计使得 SDS 在保持与 C 语言字符串兼容的同时，具有更高的效率和更好的安全性。

C 字符串结构与 SDS 字符串结构对比图参照如下：

image-20230813124658755

2.3、SDS优点

SDS（Simple Dynamic String，简单动态字符串）作为 Redis 自己构建的抽象字符串类型，相比于 C 语言的字符串，它主要具有以下优点：

1. 获取长度的时间复杂度为 O(1)：SDS 内部维护了一个 len 属性，这个属性记录了字符串的长度，因此获取字符串长度的时间复杂度为 O(1)，而 C 字符串需要遍历整个字符串才能获取到长度，时间复杂度为 O(n)；
2. 内存效率：SDS 通过维护一个 free 属性，记录了 buf 数组中未使用的字节数量，这样可以在需要扩展字符串时，直接使用这些未使用的空间，而不需要重新分配内存，提高了内存的使用效率；
3. 避免缓冲区溢出：SDS在进行字符串修改操作时，会先检查缓冲区是否满足条件，如果不满足，会自动扩展缓冲区，因此可以避免缓冲区溢出的问题。而C字符串则需要程序员自己保证不会发生缓冲区溢出；
4. 减少内存重新分配的次数：SDS通过空间预分配和惰性空间释放两种策略，减少了内存重新分配的次数。空间预分配是在修改字符串时，如果需要改变字符串长度，除了为修改后的字符串分配所需的空间外，还会分配额外的未使用空间；惰性空间释放是在缩短字符串时，不立即释放多余的空间，而是等待将来使用。这两种策略都可以减少内存重新分配的次数，提高效率；
5. 二进制安全：C 字符串是以空字符 ‘\0’ 作为结束标志，因此不能正确存储包含 ‘\0’ 的字符串。而 SDS 的每一个字符都可以是 ‘\0’，因此 SDS 可以存储任何二进制数据；
6. 兼容部分 C 字符串函数：SDS 在保证自身特性的同时，仍然保留了对部分 C 字符串函数的兼容性，这样可以方便地在 SDS 和 C 字符串之间进行转换。

3、String常用命令

3.1、设定操作

在 Redis 中，设定和获取 String 类型的 key 值主要使用以下命令：

SET key value

这个命令用于设定一个 key 的值。如果 key 已经存在，那么这个命令会覆盖原来的值。

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3.2、获取操作

在 Redis 中，获取 String 类型的 key 值主要使用以下命令：

GET key	

这个命令用于获取一个 key 的值。如果 key 不存在，那么这个命令会返回 nil。

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3.3、自增/自减操作

自减/自增 Key 值：

INCR key							# 自增
DECR key							# 自减

String 类型除了可以存字符串也可以是数字。注意这里得是数字才可以进行

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如果要带步长：

INCRBY key	num				# 自增
DECRBY key	num				# 自减

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3.4、追加字符串

使用 append 追加字符串：

APPEND key addvalue

append 命令后但会当前 string 长度。

image-20230819233702727

3.5、删除字符串

使用 del 删除字符串：

DEL key
DEL key1 key2 key3

image-20230819235218967

3.6、截取字符串

使用 getrange 截取字符串：

getrange key start end
getrange key 0 -1						# 查询全部

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3.7、替换字符串

使用 setrange 替换字符串：：

setrange key num value

image-20230820000105855

3.8、分布式锁设置

分布锁设置，只有在 key 不存在时设置 key 的值：

SETNX key value 	

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3.9、设置过期时间

设置指定 key 的值，并将 key 的过期时间设为 seconds 秒：

SETEX key seconds value

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3.10、批量操作设置

一次性设置多个：

MSET k1 v1 k2 v2 k3 v3

一次性获取多个：

MGET k1 k2 k3

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一次性设置多个（事务），只要有一个失败，则都不成功：

MSETNX k1 v1 k2 v2 k3 v3

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3.11、获取字符串长度

使用 strlen 获取字符串长度：

STRLEN key

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