Redis扩展数据类型详解

在Redis中有5种基本数据类型，分别是String, List, Hash, Set, Zset。除此之外，Redis中还有一些实用性很高的扩展数据类型，下面来介绍一下这些扩展数据类型以及它们的使用场景。

Geo

GEO在Redis 3.2版本后被添加，可以说是针对LBS（Location-Based Service）产生的一种数据类型，主要用于存储地理位置信息，并可以对存储的信息进行一系列的计算操作。

geoadd：存储指定的地理空间位置：

# 语法格式： GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member ...] # 测试： > GEOADD locations 116.419217 39.921133 beijing > GEOADD locations 120.369557 36.094406 qingdao

来看一下geo数据在Redis中的存储方式，可以看到是以zset格式进行存储的，因此geo是zset的一个扩展：

geopos：返回指定地理位置的经纬度坐标：

# 语法格式： GEOPOS key member [member ...] # 测试： > GEOPOS locations beijing qingdao 116.41921967267990112 39.92113206197632991 120.36955565214157104 36.09440522913565275

也可以使用zrange返回所有的位置元素而不带经纬度信息：

> ZRANGE locations 0 -1 qingdao beijing

geodist：计算指定位置间的距离，并可以指定返回的距离单位：

# 语法格式： GEODIST key member1 member2 [m|km|ft|mi] # 测试： > GEODIST locations beijing qingdao km 548.5196

georadiusbymember：找出以给定位置为中心，返回key包含的元素中，与中心的距离不超过给定最大距离的所有位置元素：

# 语法格式： GEORADIUSBYMEMBER key member radius [m|km|ft|mi] # 测试： > GEORADIUSBYMEMBER locations beijing 150 km beijing # 扩大范围 > GEORADIUSBYMEMBER locations beijing 600 km qingdao beijing

georadius与georadiusbymember类似，不过是以指定的经纬度为中心：

# 语法格式： GEORADIUS key longitude latitude radius [m|km|ft|mi] # 测试： > GEORADIUS locations 116.4192 39.9211 10 km beijing

geo并没有提供删除指令，但根据其底层是zset实现，我们可以使用zrem对数据进行删除：

> ZREM locations beijing

基于geo，可以很简单的存储人或物关联的经纬度信息，并对这些地理信息进行处理，例如基于查询相邻的经纬度范围，能简单实现类似“附近的人”等功能。

Bitmap

Bitmap 也被称为位图，是以 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。其中每一个bit都只能是0或1，所以通常用来表示一个对应于数组下标的数据是否存在。Bitmap 提供了一系列api，主要用于对 bit 位进行读写、计算、统计等操作。

setbit：对key所存储的字符串值，设置或清除指定偏移量上的位（bit）:

# 语法格式： SETBIT key offset value # 测试： > SETBIT key 100 1 > SETBIT key 128 1

getbit：对key所存储的字符串值，获取指定偏移量上的位（bit）:

# 语法格式： GETBIT key offset # 测试： > GETBIT key 100 1

bitcount：可以统计bit 数组中指定范围内所有 1 的个数，如果不指定范围，则获取所有:

# 语法格式： BITCOUNT key [start end] # 测试： > BITCOUNT key 2

bitpos：计算 bit 数组中指定范围第一个偏移量对应的的值等于targetBit的位置：

# 语法格式： BITPOS key tartgetBit [start end] # 测试： > BITPOS key 1 100

bitop：做多个bit 数组的and（交集）、or（并集）、not（非）、xor（异或）。例如对key和key2做交集操作，并将结果保存在key:and:key2中：

# 语法格式： BITOP op destKey key1 [key2...] # 测试： > BITOP and key:and:key2 key key2 17

Bitmap底层使用String实现，value的值最大能存储512M字节，可以表示 512 * 1024 * 1024*8=4294967296个位，已经能够满足我们绝大部分的使用场景。再看一下底层存储数据的格式，以刚刚存储的key为例：

\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x08\x00\x00\x00\x80

将16进制的数据转化为2进制数据，如下图所示，第100位和第128位为1，其他为0：

此外，由于Redis在存储string类型的时候存储形式为二进制，所以也可以通过操作bit位来对string类型进行操作，在下面的例子中，通过直接操作bit，将string类型的abc变成了bbc。

> set key2 abc > setbit key2 6 1 > setbit key2 7 0 > get key2 bbc

另外，可以通过bitfield命令实现类似的效果：

> set key3 a > BITFIELD key3 get u8 0 97 > BITFIELD key3 set u8 0 98 97 > get key3 b

使用bitfield 命令可以返回指定位域的bit值，并将它转化为整形，有符号整型需在位数前加 i，无符号在位数前加u。上面我们将8位转化为无符号整形，正好是a的ASCII码，再对ASCII码进行修改，可以直接改变字符串的值。

Bitmap的应用非常广泛，例如在缓存三大问题中我们介绍过使用Bitmap作为布隆过滤器应对缓存穿透的问题，此外布隆过滤器也被广泛用于邮件系统中拦截垃圾邮件的地址。另外，常用的用户签到、朋友圈等功能也可以用它来实现。

以实现用户签到功能为例，可以将每个用户按月存储为一条数据，key的格式可以定义为 sign:userId:yyyyMM ，如果签到了就将对应的位置改为1，未签到为0，这样最多只需要31个bit位就可以存储一个月的数据，转换为字节的话也只要4个字节就已经足够。

# 1月10日签到，因为offset从0起始，所以将天数减1 > SETBIT sign:6666:202101 9 1 0 # 查看1月10日是否签到 > GETBIT sign:6666:202101 9 1 # 统计签到天数 > BITCOUNT sign:6666:202101 1 # 查看首次签到的日期 > BITPOS sign:6666:202101 1 9 # 提取整月的签到数据 > BITFIELD sign:6666:202101 get u31 0 2097152

注意在使用bitfield指令时，有符号整型最大支持64位，而无符号整型最大支持63位。如果位数超过限制，会报如下错误：

> bitfield key3 get u64 0 ERR Invalid bitfield type. Use something like i16 u8. Note that u64 is not supported but i64 is.

所以在存储签到数据时，如果按月存储的话在之后提取数据时会比较方便，如果按年存储数据，在提取整年的签到数据时可能需要进行分段。

HyperLogLog

Redis 在 2.8.9 版本添加了 HyperLogLog 结构，它是一种用于基数统计的数据集合类型。它的最大优势就在于，当集合元素数量非常多时，它计算基数所需的空间总是固定的，而且还很小。

pfadd：向HyperLogLog中添加数据：

# 语法格式： PFADD key element [element ...] # 测试： > PFADD index.html uuid1 uuid2 uuid3 uuid4

pfcount：返回HyperLogLog的基数统计结果：

# 语法格式： PFCOUNT key [key ...] # 测试： > PFCOUNT index.html 4

pfmerge：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。

# 语法格式： PFMERGE destkey sourcekey [sourcekey ...] # 测试： > PFMERGE index.html home.html OK > PFCOUNT index.html 6

例如在上面的例子中，使用HyperLogLog 可以很方便的统计网页的UV。在官方文档中指明，Redis 中每个 HyperLogLog 只需要花费 12 KB 内存，就可以对 2^64 个数据完成基数统计。尽管使用Set或Hash等结构也能实现基数统计，但这些数据结构都会消耗大量的内存。而使用HyperLogLog 时，和其他数据结构计算基数时，元素越多耗费内存就越多形成了鲜明对比。

需要注意的是，HyperLogLog是一种算法，并非是Redis独有的，并且HyperLogLog 的统计规则是基于概率完成的，所以它给出的统计结果是有一定误差的，官方给出的标准误算率是 0.81%。 HyperLogLog 只会根据输入元素来计算基数，而不会存储输入的元素本身，所以 HyperLogLog 不能像集合那样，返回输入的各个元素。

针对以上这些特性，可以总结出，HyperLogLog适用于大数据量的基数统计，但是它也存在局限性，它只能够实现统计基数的数量，但无法知道具体的原数据是什么。如果需要原数据的话，我们可以将 Bitmap 和 HyperLogLog 配合使用，例如在统计网站UV时，使用Bitmap 标识哪些用户属于活跃用户，使用 HyperLogLog 实现基数统计。

Stream

Stream是Redis 5.0版本之后新增加的数据结构，实现了消息队列的功能，并且实现消息的持久化和主备复制功能，可以让任何客户端访问任何时刻的数据，并且能记住每一个客户端的访问位置，保证消息不丢失，下面我们看一下具体的指令。

xadd：向队列添加消息

# 语法格式： XADD key ID field value [field value ...] # 测试： > XADD stream1 * phone 88888888 name Hydra "1614316213565-0" > XADD stream1 * key1 value1 key2 value2 key3 value3 "1614317444558-0"

添加消息是生成的 1614316213565-0，是生成消息的id，由时间戳加序号组成，时间戳是Redis的服务器时间，如果在同一个时间戳内，序号会递增来标识不同的消息。并且为了保证消息的有序性，生成的消息id是保持自增的。可以使用可视化工具查看数据，消息是以json格式被存储：

这里因为是不同时间戳，所以序号都是从0开始。我们可以通过redis的事务添加消息进行测试：

> MULTI "OK" > XADD stream * msg 1 "QUEUED" > XADD stream * msg 2 "QUEUED" > XADD stream * msg 3 "QUEUED" > XADD stream * msg 4 "QUEUED" > XADD stream * msg 5 "QUEUED" > EXEC 1) "OK" 2) "1614319042782-0" 3) "OK" 4) "1614319042782-1" 5) "OK" 6) "1614319042782-2" 7) "OK" 8) "1614319042782-3" 9) "OK" 10) "1614319042782-4" 11) "OK"

通过上面的例子，可以看见同一时间戳内，序号会不断递增。

xrange：获取消息列表，会自动过滤删除的消息

# 语法格式： XRANGE key start end [COUNT count] # 测试： > XRANGE stream1 - + count 5 1) 1) "1614316213565-0" 2) 1) "phone" 2) "88888888" 3) "name" 4) "Hydra" 2) 1) "1614317444558-0" 2) 1) "key1" 2) "value1" 3) "key2" 4) "value2" 5) "key3" 6) "value3"

xread：以阻塞或非阻塞方式获取消息列表

# 语法格式： XREAD [COUNT count] [BLOCK milliseconds] STREAMS key [key ...] id [id ...] # 测试： > XREAD count 1 STREAMS stream1 0-1 1) 1) "stream1" 2) 1) 1) "1614316213565-0" 2) 1) "phone" 2) "88888888" 3) "name" 4) "Hydra"

xdel：删除消息

# 语法格式： XDEL key ID [ID ...] # 测试： > XDEL stream1 1614317444558-0 "1"

除了上面消息队列的基本操作外，还可以创建消费者组对消息进行消费。首先使用xgroup create 创建消费者组：

# 语法格式： XGROUP [CREATE key groupname id-or-$] [SETID key groupname id-or-$] [DESTROY key groupname] [DELCONSUMER key groupname consumername] # 创建一个队列，从头开始消费： > XGROUP CREATE stream1 consumer-group-1 0-0 # 创建一个队列，从尾部开始消费，只接收新消息： > XGROUP CREATE stream1 consumer-group-2 $

下面使用消费者组消费消息：

# 语法格式 XREADGROUP GROUP group consumer [COUNT count] [BLOCK milliseconds] [NOACK] STREAMS key [key ...] ID [ID ...]

注意这里消费消息的对象是 consumer消费者，而不是消费者组。在消费消息时，不需要预先创建消费者，在消费过程中直接指定就可以。接下来再向stream中发送一条消息，比较两个消费者组的消费顺序差异：

# 重新发送一条消息 > XADD stream1 * newmsg hi "1614318022661-0" # 使用消费者组1消费： > XREADGROUP GROUP consumer-group-1 consumer1 COUNT 1 STREAMS stream1 > 1) 1) "stream1" 2) 1) 1) "1614316213565-0" 2) 1) "phone" 2) "88888888" 3) "name" 4) "Hydra" # 使用消费者组2消费： > XREADGROUP GROUP consumer-group-2 consumer2 COUNT 1 STREAMS stream1 > 1) 1) "stream1" 2) 1) 1) "1614318022661-0" 2) 1) "newmsg" 2) "hi"

可以看到，消费者组1从stream的头部开始消费，而消费者组2从创建消费者组后的最新消息开始消费。在消费者组2内使用新的消费者再次进行消费：

> XREADGROUP GROUP consumer-group-2 consumer4 COUNT 1 STREAMS stream1 > > XADD stream1 * newmsg2 hi2 "1614318706162-0" > XREADGROUP GROUP consumer-group-2 consumer4 COUNT 1 STREAMS stream1 > 1) 1) "stream1" 2) 1) 1) "1614318706162-0" 2) 1) "newmsg2" 2) "hi2"

在上面的例子中，可以看到在一个消费者组中，存在互斥原则，即一条消息被一个消费者消费过后，其他消费者就不能再消费这条消息了。

xpending：等待列表用于记录读取但并未处理完毕的消息，可以使用它来获取未处理完毕的消息。

> XPENDING stream1 consumer-group-2 1) "2" # 2条已读取但未处理的消息 2) "1614318022661-0" # 起始消息ID 3) "1614318706162-0" # 结束消息ID 4) 1) 1) "consumer2" # 消费者2有1个 2) "1" 2) 1) "consumer4" # 消费者4有1个 2) "1"

在 xpending 命令后添加start end count参数可以获取详细信息：

> XPENDING stream1 consumer-group-2 - + 10 1) 1) "1614318022661-0" # 消息ID 2) "consumer2" # 消费者 3) "1867692" # 从读取到现在经历的毫秒数 4) "1" #消息被读取次数 2) 1) "1614318706162-0" 2) "consumer4" 3) "1380323" 4) "1"

xack：告知消息被处理完成，移出pending列表

> XACK stream1 consumer-group-2 1614318022661-0 "1"

再次查看pending列表，可以看到1614318022661-0 已被移除：

> XPENDING stream1 consumer-group-2 1) "1" 2) "1614318706162-0" 3) "1614318706162-0" 4) 1) 1) "consumer4" 2) "1"

基于以上功能，如果我们的系统中已经使用了redis，甚至可以移除掉不需要的其他消息队列中间件，来达到精简应用系统的目的。并且，Redis Stream提供了消息的持久化和主从复制，能够很好的保证消息的可靠性。

最后

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Redis 数据结构

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