interview/questions/03-缓存/Redis数据结构.md

# Redis 数据结构

## 问题

1. Redis 有哪些数据结构？底层实现是什么？
2. String 类型的应用场景？
3. Hash 和 String 的区别？
4. List 的应用场景？
5. Set 和 ZSet 的区别？
6. Bitmap、HyperLogLog、GEO 的应用？

---

## 标准答案

### 1. Redis 数据类型

| 类型 | 底层实现 | 应用场景 |
|------|---------|----------|
| **String** | SDS | 缓存、计数器、分布式锁 |
| **Hash** | 压缩列表/哈希表 | 对象存储、购物车 |
| **List** | 双向链表/压缩列表 | 消息队列、最新列表 |
| **Set** | 哈希表/整数集合 | 标签、共同关注 |
| **ZSet** | 跳表/哈希表 | 排行榜、延时队列 |
| **Bitmap** | String（位操作） | 签到、在线用户 |
| **HyperLogLog** | String（基数统计） | UV 统计 |
| **GEO** | ZSet（经纬度编码） | 附近的人 |

---

### 2. String（SDS - Simple Dynamic String）

**结构**：
```c
struct sdshdr {
    int len;        // 已使用长度
    int free;       // 剩余空间
    char buf[];     // 字节数组
};
```

**优势**：
- O(1) 获取长度
- 防止缓冲区溢出
- 减少内存分配次数

**应用**：
```bash
# 缓存
SET user:1001 '{"id":1001,"name":"Alice"}'
GET user:1001

# 计数器
INCR view_count:1001
DECR stock:1001

# 分布式锁
SET lock:order:1001 "uuid" NX PX 30000
```

---

### 3. Hash

**结构**：
```bash
HSET user:1001 name "Alice" age 25 email "alice@example.com"
HGET user:1001 name
HGETALL user:1001
```

**底层**：
- 字段少（< 512）：压缩列表（ziplist）
- 字段多（≥ 512）：哈希表（hashtable）

**应用**：
```java
// 对象存储（推荐 Hash，而非 String）
redisTemplate.opsForHash().putAll("user:1001", Map.of(
    "name", "Alice",
    "age", "25"
));

// 购物车
redisTemplate.opsForHash().put("cart:1001", "product:1001", "2");
```

---

### 4. List

**结构**：
```bash
LPUSH list:msgs "msg1" "msg2" "msg3"  # 左侧插入
RPOP list:msgs                        # 右侧弹出
```

**底层**：
- 元素少（< 512）：压缩列表（ziplist）
- 元素多（≥ 512）：双向链表（linkedlist）
- Redis 3.2+：quicklist（ziplist + linkedlist）

**应用**：
```bash
# 消息队列
LPUSH queue:email '{"to":"alice@example.com","subject":"Hello"}'
RPOP queue:email

# 最新列表
LPUSH timeline:1001 "post1" "post2"
LRANGE timeline:1001 0 9  # 最新 10 条
```

---

### 5. Set vs ZSet

**Set（无序集合）**：
```bash
SADD tags:article:1001 "java" "redis" "mysql"
SMEMBERS tags:article:1001
SISMEMBER tags:article:1001 "java"
SINTER tags:user:1001 tags:article:1001  # 交集
```

**底层**：
- 元素少（< 512）：整数集合（intset）
- 元素多（≥ 512）：哈希表（hashtable）

---

**ZSet（有序集合）**：
```bash
ZADD rank:score 100 "player1" 200 "player2" 150 "player3"
ZREVRANGE rank:score 0 9 WITHSCORES  # Top 10
ZRANK rank:score "player1"          # 排名
ZSCORE rank:score "player1"         # 分数
```

**底层**：
- 元素少（< 128）：压缩列表（ziplist）
- 元素多（≥ 128）：跳表（skiplist） + 哈希表（hashtable）

---

### 6. Bitmap

**原理**：用 bit 位表示状态（0 或 1）

```bash
# 签到
SETBIT sign:2024:02:28:1001 0 1  # 用户 1001 在第 0 天签到
SETBIT sign:2024:02:28:1001 4 1  # 用户 1001 在第 4 天签到

# 统计签到天数
BITCOUNT sign:2024:02:28:1001

# 用户 1001 和 1002 共同签到的天数
BITOP AND result sign:2024:02:28:1001 sign:2024:02:28:1002
BITCOUNT result
```

---

### 7. HyperLogLog

**用途**：基数统计（不重复元素个数）

**优点**：内存占用极小（12 KB）

```bash
PFADD uv:2024:02:28 user:1001 user:1002 user:1003
PFCOUNT uv:2024:02:28  # 3

# 合并多个 HyperLogLog
PFMERGE uv:2024:02:01-28 uv:2024:02:01 uv:2024:02:02 ...
```

**误差率**：< 1%

---

### 8. GEO（地理位置）

```bash
# 添加位置
GEOADD locations:users 116.404 39.915 "user:1001"  # 北京

# 查找附近的人（5 km 内）
GEORADIUS locations:users 116.404 39.915 5 km

# 计算距离
GEODIST locations:users user:1001 user:1002
```

**底层**：ZSet（经纬度编码为 score）

---

### 9. 阿里 P7 加分项

**深度理解**：
- 理解 SDS 和 C 字符串的区别
- 理解跳表的实现原理
- 理解压缩列表的优缺点

**实战经验**：
- 有选择合适数据类型的经验
- 有大数据量下的优化经验
- 有 Redis 内存优化的经验

**架构能力**：
- 能设计基于 Redis 的业务方案
- 能设计 Redis 集群方案
- 能设计 Redis 监控体系