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三、Redis基本操作——List

小喵的唠叨话:前面我们介绍了Redis的string的数据结构的原理和操作。当时我们提到Redis的键值对不仅仅是字符串。而这次我们就要介绍Redis的第二个数据结构了,List(链表)。由于List在原理上的实现并不是特别的复杂,我们在这里将原理和具体的命令都放在一起介绍。

Redis基本操作——List(原理篇)

学习过数据结构的同学,一定对链表(Linked List)十分的熟悉。相信我们自己也曾经使用过这种数据结构。

链表分为很多种:单向链表,双向链表,循环链表,块状链表[ 1 ]等等。

链表的作用也有很多。首先,链表可以存放数据。其次链表可以模拟队列、堆栈等其他的数据结构。

链表的实现也有多种,以C语言为例,最常见的是构造节点node,node中又有指针,用于指向下一个node,这样就构成了单向链表,如果node中有两个指针,分别指向前一个和后一个node,则构造了双向链表,再如果链表是首尾相连的,那么就是循环链表。链表的具体算法,是数据结构里面的内容,我们这里就不专门介绍啦。

那么,Redis内部的List是什么样子的链表呢?又是怎么来维护的呢?

我们慢慢的剖析。

typedef struct listNode {       // 前置节点     struct listNode *prev;         // 后置节点     struct listNode *next;       // 节点的值     void *value; } listNode; 

上述就是Redis的节点的定义。

可以看出,这是一个双向的链表。比较有意思的是,节点内存的值,是一个void *的指针,这就说明节点内部可以存放任何的内容。

反派汪:我不能理解为什么value是void *的指针就能存任何内容?我甚至不知道为什么还有要void *这么奇怪的数据类型。

喵太:其实很多人也有这个疑问。不过先问问你自己,指针到底是什么?int *,float *和char *的这几种指针有什么区别?

反派汪:指针里面存的就是地址,通过地址就能访问到指定的内存。以int *指针为例,int *说明,指针指向的是一个由int型的数据组成的内存。通过指针运算符*,我们就能取到对应位置的内存中的值。通过对指针的+和-,我们就能移动到相邻的位置。

喵太:嗯,说的不错,但是你只说对了一半。指针里面存放的是地址,无论任何类型的指针,里面存放的都只是一个32位的无符号整数。指针的类型,其实只是决定了对内存进行的操作。int *的指针,每次加1的时候,其实移动了4个字节,char *则移动1个。使用指针运算符*其实也是一样。int *会得到连续4个字节的内容,并且存进一个int变量里面,而char *则会得到一个字节的内容,并存进一个char里面。因此,任何类型的指针其实本质上是一样的。

反派汪:那你的意思是,所有类型的指针都是一样的了。那么我还是不能理解void *的指针究竟能做什么。

喵太:void *的指针是C语言中最简单的一种指针,它存放的是一个地址,并且没有给出任何操作上的提示。但是任何类型的指针都能赋给void *的指针。void *的指针也能强制转换成任何类型的指针。这里使用void *的指针,只是在说明,value对应的是一块内存。开发者,可以自行转换指针的类型,来做相应的操作。如果你熟悉C语言的话,malloc函数的返回值也是一个void *的指针,而我们通常会把它强制转换成我们需要的任何数据类型。

反派汪:这样啊,那原则上这里的指针用什么类型的都是可以的了?反正就是一个地址而已。只是void *更纯粹一点,也最符合要求,毕竟它只是指向数据的地址,没有做任何的限制。

喵太:孺狗可教也。

现在,我们有了listNode这个节点的数据结构,就可以构造我们的链表了。

三、Redis基本操作——List

图一 链表的结构

依照上图的示意图,我们就可以使用listNode构造一个双向链表了。

Redis中,为了更好地管理链表,定义了一个list的数据结构,作为链表的封装。

typedef struct list {       // 头节点     listNode *head;       // 尾节点     listNode *tail;       // 链表中的节点数     unsigned int len;       // 节点值复制函数     void *(*dup) (void *ptr);       // 节点值释放函数     void (*free) (void *ptr);       // 节点值对比函数     int (*match) (void *ptr, void *key); } list; 

list结构记录了链表的头指针,尾指针,链表的节点数。dup,free和match三个成员则表示对节点的值进行复制,释放和比较的函数。由于这里的节点的value的内容是任意的,复制和释放并不一定能用类似于memcpy和free的函数来处理(不太理解的话,可以google一下浅拷贝和深拷贝)。

因此,我们得到的最终的链表结构是这个样子的:

三、Redis基本操作——List

图二 链表的结构

Redis的链表的实现的主要特性如下:

  1. 双端:链表节点都有prev和next指针,这样获取一个节点的前置节点和后置节点的算法复杂度都为O(1)。

  2. 无环:list的第一个节点(头节点)的prev和最后一个节点(尾节点)的next都指向NULL。

  3. 带表头指针和表尾指针:通过list的head和tail两个指针,可以随意的从链表的头和尾进行操作。

  4. 带链表长度计数器:可以通过len成员来获取链表的节点的个数,复杂度O(1)。

  5. 多态:链表使用void *指针来保存value,并且可以通过dup,free,match来操控节点的value值,因此,该链表可以保存任意类型的值。

小喵看到这个多态的实现也是惊呆了,原来C语言也能实现多态,也第一次知道了函数指针居然可以这么用。

由此想到之前看过的一句话:高手用树叶也能杀人。希望每个人都能成为传说中的高手~

关于链表的操作,是数据结构课程中的基础,无外乎是增、删、改、查这四个操作,这里不再介绍。聪明的你,bing一下就OK了!

Redis基本操作——List(实战篇)

现在,我们已经基本了解了Redis的List结构的底层实现。那么,Redis提供了哪些可以供我们调用的接口呢?请听小喵慢慢道来。

以下指令根据类别和使用的频率进行排序。

指令清单:

一、PUSH操作

1,RPUSH key value [value …]

从队列的右边入队一个元素或多个元素,复杂度O(1)。

将所有指定的值插入存于key的列表的尾部(从右侧插入)。如果key不存在,那么PUSH之前,会先自动创建一个空的列表。如果key对应的值不是一个list的话,则会返回一个错误。如果同时push多个值的话,值会依次从左到右PUSH从尾部进入list。

那么这个命令有什么作用呢?

作用大大滴!

PUSH和POP操作,其实是队列的基本操作。Redis的list就是一个极其强大的队列系统。我们在哪些地方会用到队列呢?下面,我们说两个例子:

a,评论系统

逛过微博的筒子们应该都对评论系统有了解。我们在看完一条微博之后,常常会评论一番,或者看看其他人的吐槽。每条评论的记录都是按照时间顺序排序的。我们读的时候也是这个顺序。这时,队列就是一个很好的存储结构。每提交一次评论,都向list的末尾添加一个新的节点。

当然,博客本身也可以是这样的结构。

b,并行转串行

我们做后台开发的筒子们应该都遇到过类似的情景。用户每时每刻都可能发出请求,而且请求的频率经常变化。这时,后台的程序不可能立刻响应每一个用户的请求,尤其是请求特别占资源的服务的时候(双11的时候,你有没有看到404页面?)。有什么好的办法来解决这个问题呢?我们需要一个排队系统。根据用户的请求时间,将用户的请求放入队列中,后台程序依次从队列中获取任务,处理并将结果返回到结果队列。

这其实也是一个生产者消费者模型。通过队列,我们将并行的请求转换成串行的任务队列,之后依次处理(当然后台的程序也可以多核并行处理)。

那么,这么强大的功能,我们不马上试试吗?

redis> rpushqueue a (integer) 1 redis> rpushqueue b (integer) 2 redis> rpushqueue c (integer) 3 redis> rpushqueue d e f (integer) 6 redis> lrangequeue 0 -1 1) "a" 2) "b" 3) "c" 4) "d" 5) "e" 6) "f" 

lrange这个命令是获取指定范围的list中的数据,我们下面再具体介绍。

这个例子中,我们依次将a、b、c、d、e、f、g从尾部(右侧)追加到queue中,最后通过lrange查看queue中的数据的顺序。

2,LPUSH key value [value …]

从队列的左边入队一个或多个元素,复杂度O(1)。

这个指令和RPUSH几乎一样,只是插入节点的方向相反了,是从list的头部(左侧)进行插入的。

redis> delqueue (integer) 1 redis> lpushqueue a (integer) 1 redis> lpushqueue b (integer) 2 redis> lpushqueue c (integer) 3 redis> lpushqueue e f g (integer) 6 redis> lrangequeue 0 -1 1) "g" 2) "f" 3) "e" 4) "c" 5) "b" 6) "a" 

可以看出,结果正好和RPUSH相反。

3,RPUSHX key value

从队列的右边入队一个元素,仅队列存在时有效。当队列不存在时,不进行任何操作。

# 之前queue已经存在,且有a、b、c、d、e、f、g这6个元素 redis> rpushxqueue z (integer) 7 redis> delqueue (integer) 1 redis> rpushxqueue z (integer) 0 

可以看出,最开始rpushx向queue中新增了一个节点,但当我们删掉了queue时,再rpushx,就没有插入成功(返回值为0)。

4,LPUSHX key value

从队列的左边入队一个元素,仅队列存在时有效。当队列不存在时,不进行任何操作。

参考RPUSHX。

二、POP操作

PUSH操作,是从队列头部和尾部增加节点的操作。而POP是获取并删除头尾节点的操作。

1,LPOP key

从队列的左边出队一个元素,复杂度O(1)。如果list为空,则返回nil。

redis> delqueue (integer) 0 redis> rpushqueue a b c d e f (integer) 6 redis> lrangequeue 0 -1 1) "a" 2) "b" 3) "c" 4) "d" 5) "e" 6) "f" redis> lpopqueue "a" redis> lpopqueue "b" redis> lrangequeue 0 -1 1) "c" 2) "d" 3) "e" 4) "f" redis> rpopqueue "f" redis> rpopqueue "e" redis> lrangequeue 0 -1 1) "c" 2) "d" 

我们首先向空的list中添加了a、b、c、d、e、f这6个值,之后从左边POP(LPOP)出两个值,再从右侧POP(RPOP)出两个值。

2,RPOP key

从队列的右边出队一个元素,复杂度O(1)。如果list为空,则返回nil。

见LPOP。

3,BLPOP key [key …] timeout

删除,并获得该列表中的第一元素,或阻塞,直到有一个可用。

这是LPOP的阻塞版本。在LPOP的时候,如果队列中没有值,则会返回一个nil。而BLPOP则会等待一段时间,如果list中有值(等待的时候,被添加的),则返回对应值;如果在给定时间内仍没有得到结果,则返回nil。

redis> lrangequeue 0 -1 1) "c" 2) "d" redis> BLPOPqueue 1 1) "queue" 2) "c" redis> BLPOPqueue 1 1) "queue" 2) "d" redis> BLPOPqueue 1 (nil) (1.10s) redis> LPOPqueue  (nil) 

我们仍接着上面的实验继续,这时queue里面只有2个元素了,我们使用BLPOP取值,前两次都成功地得到了值,效果和LPOP一样。但第三次的时候,由于list已经为空,但是BLPOP并没有立刻返回nil,而是阻塞了一点时间(timeout的时间),之后才返回了nil。最后,我们试验了一下LPOP,证实了LPOP是立刻返回结果的。

timeout表示等待的时间,单位是秒。当设为0时,表示永远阻塞,非0时,表示等待的最长时间。

要注意的是,LBPOP支持多个key,也就是说可以同时监听多个list,并按照key的顺序,依次检查list是否为空,如果不为空,则返回最优先的list中的值。如果都为空,则阻塞,直到有一个list不为空,那么返回这个list对应的值。这里进行试验不是特别的方便,更具体的介绍可以查看中文官网的文档: http://redis.cn/commands/blpop.html

4,BRPOP key [key …] timeout

删除,并获得该列表中的最后一个元素,或阻塞,直到有一个可用。

参考BLPOP。

三、POP and PUSH

1,RPOPLPUSH source destination

删除列表中的最后一个元素,将其追加到另一个列表。

这个命令可以原子性地返回并删除source对应的列表的最后一个元素(尾部元素),并将钙元素放入destination对应的列表的第一个元素位置(列表头部)。

redis> rpushq1 1 2 3 4 5 (integer) 5 redis> lrangeq1 0 -1 1) "1" 2) "2" 3) "3" 4) "4" 5) "5" redis> rpoplpushq1q2 "5" redis> rpoplpushq1q2 "4" redis> lrangeq1 0 -1 1) "1" 2) "2" 3) "3" redis> lrangeq2 0 -1 1) "4" 2) "5" redis>  

我们简单的看一下上述的例子,首先我们初始化一个q1,内容是{1, 2, 3, 4, 5}。这是q2没有定义,可以理解是一个空的list {}。

之后使用rpoplpush,从q1右边pop出一个元素5,然后在q2左侧push进。则现在的q1为{1, 2, 3, 4},q2为{5}。

再进行一次rpoplpush,从q1右边pop出一个元素4,然后在q2左侧push进。则现在的q1为{1, 2, 3},q2为{4, 5}。

那么,这个有意思的命令有什么实际的用处呢?

redis的官网给出了两个有意思的案例(因为写的很详细,所以直接照搬下来了)[ 2 ]:

模式:安全的队列

Redis通常都被用做一个处理各种后台工作或消息任务的消息服务器。 一个简单的队列模式就是:生产者把消息放入一个列表中,等待消息的消费者用 RPOP 命令(用轮询方式), 或者用 BRPOP 命令(如果客户端使用阻塞操作会更好)来得到这个消息。

然而,因为消息有可能会丢失,所以这种队列并是不安全的。例如,当接收到消息后,出现了网络问题或者消费者端崩溃了, 那么这个消息就丢失了。

RPOPLPUSH (或者其阻塞版本的 BRPOPLPUSH ) 提供了一种方法来避免这个问题:消费者端取到消息的同时把该消息放入一个正在处理中的列表。 当消息被处理了之后,该命令会使用 LREM 命令来移除正在处理中列表中的对应消息。

另外,可以添加一个客户端来监控这个正在处理中列表,如果有某些消息已经在这个列表中存在很长时间了(即超过一定的处理时限), 那么这个客户端会把这些超时消息重新加入到队列中。

模式:循环列表

RPOPLPUSH 命令的 source 和 destination 是相同的话, 那么客户端在访问一个拥有n个元素的列表时,可以在 O(N) 时间里一个接一个获取列表元素, 而不用像 LRANGE 那样需要把整个列表从服务器端传送到客户端。

上面这种模式即使在以下两种情况下照样能很好地工作: * 有多个客户端同时对同一个列表进行旋转(rotating):它们会取得不同的元素,直到列表里所有元素都被访问过,又从头开始这个操作。 * 有其他客户端在往列表末端加入新的元素。

这个模式让我们可以很容易地实现这样一个系统:有 N 个客户端,需要连续不断地对一批元素进行处理,而且处理的过程必须尽可能地快。 一个典型的例子就是服务器上的监控程序:它们需要在尽可能短的时间内,并行地检查一批网站,确保它们的可访问性。

值得注意的是,使用这个模式的客户端是易于扩展(scalable)且安全的(reliable),因为即使客户端把接收到的消息丢失了, 这个消息依然存在于队列中,等下次迭代到它的时候,由其他客户端进行处理。

2,BRPOPLPUSH source destination timeout

弹出一个列表的值,将它推到另一个列表,并返回它;或阻塞,直到有一个可用

RPOPLPUSH的阻塞版本。timeout的单位是秒,当timeout为0的时候,表示无限期阻塞。

具体使用参考RPOPLPUSH。

四、其他

1,LLEN key

获得队列(List)的长度

和名字一样易懂,这里不再过多解释。

2, LRANGE key start stop

从列表中获取指定返回的元素

我们在前面用到了很多次。LRANGE可以获取list的指定范围的值。范围用start和stop表示。负数表示从右向左数。

需要注意的是,超出范围的下标不会产生错误:如果start>end,会得到空列表,如果end超过队尾,则Redis会将其当做列表的最后一个元素。

3,LINDEX key index

获取一个元素,通过其索引列表

我们之前介绍的操作都是对list的两端进行的,所以算法复杂度都只有O(1)。而这个操作是指定位置来进行的,每次操作,list都得找到对应的位置,因此算法复杂度为O(N)。list的下表是从0开始的,index为负的时候是从右向左数。-1表示最后一个元素。当下标超出的时候,会返回nul。所以不用像操作数组一样担心范围越界的情况。

redis> rpushq1 a b c d f e g (integer) 7 redis> lrangeq1 0 -1 1) "a" 2) "b" 3) "c" 4) "d" 5) "f" 6) "e" 7) "g" redis> lindexq1 0 "a" redis> lindexq1 3 "d" redis> lindexq1 4 "f" redis> lindexq1 -1 "g" redis> lindexq1 100 (nil) 

4,LSET key index value

设置队列里面一个元素的值

这个操作和LINDEX类似,只不过LINDEX是读,而LSET是写。下标的用法和LINDX相同。不过当index越界的时候,这里会报异常。

redis> rpushq1 a b c d f e g (integer) 7 redis> lrangeq1 0 -1 1) "a" 2) "b" 3) "c" 4) "d" 5) "f" 6) "e" 7) "g" redis> lsetq1 0 1 OK redis> lsetq1 3 3 OK redis> lsetq1 -1 0 OK redis> lsetq1 100 0 (error) ERRindexoutofrange redis> lrangeq1 0 -1 1) "1" 2) "b" 3) "c" 4) "3" 5) "f" 6) "e" 7) "0" 

5,LREM key count value

从列表中删除元素

该命令用于从key对应的list中,移除前count次出现 的值为value的元素。count参数有三种情况:

count > 0: 表示从头向尾(左到右)移除值为value的元素。

count < 0: 表示从尾向头(右向左)移除值为value的元素。

count = 0: 表示移除所有值为value的元素。

redis> rpush q 1 0 1 1 2 1 0 1 1 (integer) 9 redis> lrange q 0 -1 1) "1" 2) "0" 3) "1" 4) "1" 5) "2" 6) "1" 7) "0" 8) "1" 9) "1" redis> lrem q 2 1 (integer) 2 redis> lrange q 0 -1 1) "0" 2) "1" 3) "2" 4) "1" 5) "0" 6) "1" 7) "1" redis> lrem q -2 1 (integer) 2 redis> lrange q 0 -1 1) "0" 2) "1" 3) "2" 4) "1" 5) "0" redis> lrem q 0 1 (integer) 2 redis> lrange q 0 -1 1) "0" 2) "2" 3) "0" 

6, LTRIM key start stop

修剪到指定范围内的清单

这个命令和LRANGE十分相似,LRANGE会将指定范围的元素返回给客户端,而LTRIM会对list进行修剪,使其只包含指定范围的元素。start和stop表示范围。

超出范围的下标不会产生错误:如果start>end,会得到空列表,如果end超过队尾,则Redis会将其当做列表的最后一个元素。

redis> rpush q a b c d e f g (integer) 7 redis> lrange q 0 -1 1) "a" 2) "b" 3) "c" 4) "d" 5) "e" 6) "f" 7) "g" redis> ltrim q 1 4 OK redis> lrange q 0 -1 1) "b" 2) "c" 3) "d" 4) "e" 

7,LINSERT key BEFORE|AFTER pivot value

在列表中的另一个元素之前或之后插入一个元素

该命令将value插入值key对应的列表的基准值pivot的前面或是后面。

当key不存在时,这个list被视为空列表,任何操作都不会发生。

当key存在,但保存的不是list,则会报error。

该命令会返回修改之后的list的长度,如果找不到pivot,则会返回-1。

redis> rpush q a b c d e (integer) 5 redis> lrange q 0 -1 1) "a" 2) "b" 3) "c" 4) "d" 5) "e" redis> linsert q before c 0 (integer) 6 redis> linsert q after c 0 (integer) 7 redis> linsert q before 0 1 (integer) 8 redis> linsert q after 0 1 (integer) 9 redis> lrange q 0 -1 1) "a" 2) "b" 3) "1" 4) "0" 5) "1" 6) "c" 7) "0" 8) "d" 9) "e" redis> linsert q after w 1 (integer) -1 

这里,我们构造了一个list{a, b, c, d, e},先在c的前后插入了0,再在0前后插入了1。可以看出,linsert只会对第一个匹配pivot的前后进行操作。

最后,我们在w前面插入1,但是list中并没有w,所以返回了-1。

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