Redis，作为一种高性能的键值对数据库，因其丰富的数据类型和高效的性能而受到了广泛的关注和使用。在 Redis 的五种主要数据类型中，Zset（有序集合）类型可能是最复杂，但也是最强大的一种。Zset 不仅可以存储键值对，还可以为每个元素分配一个分数，然后根据这个分数进行排序。这使得 Zset 非常适合用于实现排行榜、时间线等功能。 在这篇文章中，我们将全面解析 Redis 的 Zset 类型。我们将从 Zset 的基本概念和特性开始，然后深入到它的内部实现和性能优化。我们还将通过实际的示例来展示如何在实际应用中使用 Zset。无论你是刚接触 Redis，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。
1、Zset数据类型
1.1、Zset类型简介
Zset，即有序集合（Sorted Set），是 Redis 提供的一种复杂数据类型。Zset 是 set 的升级版，它在 set 的基础上增加了一个权重参数 score，使得集合中的元素能够按 score 进行有序排列。
在 Zset 中，集合元素的添加、删除和查找的时间复杂度都是 O(1)。这得益于 Redis 使用的是一种叫做跳跃列表（skiplist）的数据结构来实现 Zset。
Zset 的主要特性包括：
- 唯一性：和 set 类型一样，Zset 中的元素也是唯一的，也就是说，同一个元素在同一个 Zset 中只能出现一次。
- 排序：Zset 中的元素是有序的，它们按照 score 的值从小到大排列。如果多个元素有相同的 score，那么它们会按照字典序进行排序。
- 自动更新排序：当你修改 Zset 中的元素的 score 值时，元素的位置会自动按新的 score 值进行调整。
1.2、Zset应用场景
Redis 的 Zset（有序集合）类型在许多场景中都非常有用，以下是一些常见的应用场景：
- 排行榜：Zset 非常适合用于实现各种排行榜。例如，你可以将用户的 ID 作为元素，用户的分数作为分数，然后使用 Zset 来存储和排序所有用户的分数。你可以很容易地获取到分数最高的用户，或者获取到任何用户的排名。
- 时间线：你可以使用 Zset 来实现时间线功能。例如，你可以将发布的消息作为元素，消息的发布时间作为分数，然后使用 Zset 来存储和排序所有的消息。你可以很容易地获取到最新的消息，或者获取到任何时间段内的消息。
- 带权重的队列：Zset 可以用于实现带权重的队列。例如，你可以将任务作为元素，任务的优先级作为分数，然后使用 Zset 来存储和排序所有的任务。你可以很容易地获取到优先级最高的任务，或者按优先级顺序执行任务。
- 延时队列：你可以将需要延时处理的任务作为元素，任务的执行时间作为分数，然后使用 Zset 来存储和排序所有的任务。你可以定期扫描 Zset，处理已经到达执行时间的任务。
以上只是 Zset 的一些常见应用场景，实际上，Zset 的应用非常广泛，只要是需要排序和排名功能的场景，都可以考虑使用 Zset。
3、Zset底层结构
3.1、Zset底层结构介绍
Redis 的 Zset（有序集合）类型的底层实现会根据实际情况选择使用压缩列表（ziplist）或者跳跃表（skiplist）。Redis 会根据实际情况动态地在这两种底层结构之间切换，以在内存使用和性能之间找到一个平衡。
这主要取决于两个配置参数：zset-max-ziplist-entries 和 zset-max-ziplist-value。
- 使用压缩列表：当 Zset 存储的元素数量小于
zset-max-ziplist-entries的值，且所有元素的最大长度小于zset-max-ziplist-value的值时，Redis 会选择使用压缩列表作为底层实现。压缩列表占用的内存较少，但是在需要修改数据时，可能需要对整个压缩列表进行重写，性能较低。 - 使用跳跃表：当 Zset 存储的元素数量超过
zset-max-ziplist-entries的值，或者任何元素的长度超过zset-max-ziplist-value的值时，Redis 会将底层结构从压缩列表转换为跳跃表。跳跃表的查找和修改数据的性能较高，但是占用的内存也较多。
这两个参数都可以在 Redis 的配置文件中进行设置。通过调整这两个参数，你可以根据自己的应用特性，选择更倾向于节省内存，还是更倾向于提高性能。
3.2、压缩列表（ziplist）
压缩列表是一种为节省内存而设计的特殊编码结构，它将所有的元素和分数紧凑地存储在一起。这种方式的优点是占用内存少，但是在需要修改数据时，可能需要对整个压缩列表进行重写，性能较低。当 Zset 存储的元素数量较少，且元素的字符串长度较短时，Redis 会选择使用压缩列表作为底层实现。
一个压缩列表的结构如下：
代码语言：javascript复制 --------- --------- -------- --------- --------- --------- --------
| zlbytes | zltail | zllen | entry_1 | entry_2 | ... | zlend |
--------- --------- -------- --------- --------- --------- -------- Ps：在 Redis 的源代码中，压缩列表（ziplist）的结构并没有直接定义为一个 C 结构体，而是通过一系列的宏和函数来操作一段连续的内存。
属性 | 说明 |
|---|---|
“zlbytes” | 一个 4 字节的整数，表示整个压缩列表占用的字节数量，包括 <zlbytes> 自身的大小。 |
“zltail” | 一个 4 字节的整数，表示压缩列表中最后一个元素的偏移量。这个偏移量是相对于整个压缩列表的起始地址的。 |
“zllen” | 一个 2 字节的整数，表示压缩列表中的元素数量。如果元素数量超过 65535，那么这个值就会被设定为 65535，需要遍历整个压缩列表才能获取到实际的元素数量。 |
“entry” | 压缩列表中的元素，每个元素都由一个或多个字节组成。每个元素的第一个字节（又称为"entry header"）用于表示这个元素的长度以及编码方式。 |
“zlend” | 一个字节，值为 255，表示压缩列表的结束。 |
在 Zset 中，每个元素和它的分数都会作为一个独立的元素存储在压缩列表中，元素和分数会交替存储，即第一个元素是成员，第二个元素是分数，第三个元素是成员，第四个元素是分数，以此类推。
压缩列表的优点是占用内存少，但是在需要修改数据时，可能需要对整个压缩列表进行重写，性能较低。
3.3、跳跃表（skiplist）
跳跃表是一种可以进行快速查找的有序数据结构，它通过维护多级索引来实现快速查找。这种方式的优点是查找和修改数据的性能较高，但是占用的内存也较多。当 Zset 存储的元素数量较多，或者元素的字符串长度较长时，Redis 会选择使用跳跃表作为底层实现。
跳跃表（skiplist）是一种可以进行快速查找的有序数据结构，它通过维护多级索引来实现快速查找。
在 Redis 的源代码中，跳跃表的结构定义如下：
代码语言：javascript复制typedef struct zskiplistNode {
robj *obj;
double score;
struct zskiplistNode *backward;
struct zskiplistLevel {
struct zskiplistNode *forward;
unsigned int span;
} level[];
} zskiplistNode;
typedef struct zskiplist {
struct zskiplistNode *header, *tail;
unsigned long length;
int level;
} zskiplist;其中：
-
zskiplistNode结构体表示跳跃表中的一个节点，包含元素对象（obj）、分数（score）、指向前一个节点的指针（backward）和一个包含多个层的数组（level）。每一层都包含一个指向下一个节点的指针（forward）和一个表示当前节点到下一个节点的跨度（span）。 -
zskiplist结构体表示一个跳跃表，包含头节点（header）、尾节点（tail）、跳跃表中的节点数量（length）和当前跳跃表的最大层数（level）。
跳跃表的查找、插入和删除操作的时间复杂度都是 O(logN)，其中 N 是跳跃表中的元素数量。这使得跳跃表在处理大量数据时具有很高的性能。
跳表在链表的基础上增加了多级索引，通过多级索引位置的专跳，实现了快速查找元素
比如下面，查找 27 ，需要遍历 6 次
一级索引（每间隔一个元素）：
一次索引，遍历 5 个节点
二级索引（一次索引基础上，每间隔一个元素）：
二索引，遍历 5 个节点
本身利用的思想类似于二分法
3.4、Redis跳表与MySQLB 树
MySQL 的 B 树和 Redis 的跳表都是用于存储有序数据的数据结构，但它们有一些关键的区别，使得它们在不同的场景和用途中各有优势。
- 结构差异：B 树是一种多路搜索树，每个节点可以有多个子节点，而跳表是一种基于链表的数据结构，每个节点只有一个下一个节点，但可以有多个快速通道指向后面的节点。
- 空间利用率：B 树的磁盘读写操作是以页（通常是 4KB）为单位的，每个节点存储多个键值对，可以更好地利用磁盘空间，减少 I/O 操作。而跳表的空间利用率相对较低。
- 插入和删除操作：跳表的插入和删除操作相对简单，时间复杂度为 O(logN)，并且不需要像 B 树那样进行复杂的节点分裂和合并操作。
- 范围查询：B 树的所有叶子节点形成了一个有序链表，因此非常适合进行范围查询。而跳表虽然也可以进行范围查询，但效率相对较低。
因此，B 树和跳表不能简单地相互替换。在需要大量进行磁盘 I/O 操作和范围查询的场景（如数据库索引）中，B 树可能是更好的选择。而在主要进行内存操作，且需要频繁进行插入和删除操作的场景（如 Redis）中，跳表可能更有优势。
Mysql 为什么使用 B 树，而不是跳表？
Mysql 数据库是持久化数据库，即是存储到磁盘上的，因此查询时要求更少磁盘 IO，且 Mysql 是读多写少的场景较多，显然 B 树更加适合M ysql。
Redis 的 ZSet 为什么使用跳表而不是B 树
Redis 是内存存储，不存在 IO 的瓶颈，所以跳表的层数的耗时可以忽略不计，而且插入数据时不需要开销以平衡数据结构（写多）。
3、ZSet 常用命令
2.1、添加操作
在 Redis 中，ZADD 命令用于向有序集合（Zset）中添加一个或多个成员，或者更新已存在成员的分数。它的基本语法如下：
ZADD key score member [score member ...]其中，key 是有序集合的名称，score 是成员的分数，member 是成员的值。你可以一次添加一个或多个成员。
例如，你可以使用以下命令向名为 myzset 的有序集合中添加一个成员 one，其分数为 1：
ZADD myzset 1 one如果你想要一次添加多个成员，可以在命令后面依次列出它们的分数和值，例如：
代码语言：javascript复制ZADD myzset 1 one 2 two 3 three这个命令会向 myzset 集合中添加三个成员，它们的分数分别为 1、2 和 3。
如果添加的成员在有序集合中已经存在，那么它的分数会被更新为新的值，同时该成员在集合中的位置也会相应地发生变化。
2.2、返回指定成员分数
在 Redis 中，ZSCORE 命令用于返回有序集合（Zset）中，指定成员的分数。它的基本语法如下：
ZSCORE key member其中，key 是有序集合的名称，member 是要查询分数的成员。
例如，你可以使用以下命令查询名为 myzset 的有序集合中，成员 one 的分数：
ZSCORE myzset one如果指定的成员存在于有序集合中，那么命令会返回该成员的分数。如果指定的成员不存在于有序集合中，那么命令会返回 nil。
需要注意的是，ZSCORE 命令返回的分数是字符串形式的浮点数。
2.3、返回指定成员排名
在 Redis 中，ZRANK 命令用于返回有序集合（Zset）中指定成员的排名，其中分数值从低到高排序。它的基本语法如下：
ZRANK key member其中，key 是有序集合的名称，member 是要查询排名的成员。
例如，你可以使用以下命令查询名为 myzset 的有序集合中，成员 one 的排名：
ZRANK myzset one如果指定的成员存在于有序集合中，那么命令会返回该成员的排名。排名以 0 为底，也就是说，分数最低的成员排名为 0。
如果指定的成员不存在于有序集合中，那么命令会返回 nil。
需要注意的是，ZRANK 命令返回的排名是字符串形式的整数。
2.4、其他Zset命令
Redis 中 Zset 其他的一些常用命令还有：
- ZREVRANK key member：返回有序集合中指定成员的索引，分数值从高到低排序。
- ZRANGE key start stop [WITHSCORES]：返回有序集中，指定区间内的成员。
- ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]：返回有序集中，指定区间内的成员，通过索引，分数值从高到低。
- ZREM key member [member …]：移除有序集合中的一个或多个成员。
- ZCARD key：获取有序集合的成员数。
- ZCOUNT key min max：计算在有序集合中指定区间分数的成员数。
- ZINCRBY key increment member：为有序集合中的成员添加增量。
以上只是 Zse 其他 Hash 命令的一些常用命令，更多的命令和详细的使用方法，可以查阅 Redis 的官方文档。
