引言
如果要了解redis的数据结构，可以从两个不同的层面来讨论它：
第一个层面，是从使用者的角度，这一层面也是Redis暴露给外部的调用接口，比如：string，list，hash，set，sorted set。
第二个层面，是从内部实现的角度，属于更底层的实现，比如：dict，sds，ziplist，quicklist，skiplist，intset。
在之前的文章中我们介绍了Redis的几种底层数据结构，本文我们介绍下基础数据类型是如何关联到这些数据结构上的。
redisObject
1、redisObject的作用
在redis的命令中，用于对键进行处理的命令占了很大一部分，而对于键所保存的值的类型（键的类型），键能执行的命令又各不相同。如： LPUSH 和 LLEN 只能用于列表键, 而 SADD 和 SRANDMEMBER 只能用于集合键, 等等; 另外一些命令, 比如 DEL、 TTL 和 TYPE, 可以用于任何类型的键；但是要正确实现这些命令, 必须为不同类型的键设置不同的处理方式: 比如说, 删除一个列表键和删除一个字符串键的操作过程就不太一样。
以上的描述说明, Redis 必须让每个键都带有类型信息, 使得程序可以检查键的类型, 并为它选择合适的处理方式. 比如说， 集合类型就可以由字典和整数集合两种不同的数据结构实现， 但是， 当用户执行 ZADD 命令时， 他/她应该不必关心集合使用的是什么编码， 只要 Redis 能按照 ZADD 命令的指示， 将新元素添加到集合就可以了。
这说明, 操作数据类型的命令除了要对键的类型进行检查之外, 还需要根据数据类型的不同编码进行多态处理。
为了解决以上问题, Redis 构建了自己的类型系统, 这个系统的主要功能包括:
1、redisObject 对象。
2、基于 redisObject 对象的类型检查。
3、基于 redisObject 对象的显式多态函数。
4、对 redisObject 进行分配、共享和销毁的机制。
2、redisObject数据结构
/* 对象类型 */
#define OBJ_STRING 0 // 字符串
#define OBJ_LIST 1 // 列表
#define OBJ_SET 2 // 集合
#define OBJ_ZSET 3 // 有序集
#define OBJ_HASH 4 // 哈希表
/* 对象编码 */
#define OBJ_ENCODING_RAW 0 /* Raw representation */
#define OBJ_ENCODING_INT 1 /* Encoded as integer */
#define OBJ_ENCODING_HT 2 /* Encoded as hash table */
#define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3 /* 注意：版本2.6后不再使用. */
#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* 注意：不再使用了，旧版本2.x中String的底层之一. */
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
#define OBJ_ENCODING_INTSET 6 /* Encoded as intset */
#define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7 /* Encoded as skiplist */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8 /* Embedded sds string encoding */
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9 /* Encoded as linked list of ziplists */
#define OBJ_ENCODING_STREAM 10 /* Encoded as a radix tree of listpacks */
#define LRU_BITS 24
/* Redis 对象 */
typedef struct redisObject
{
// 类型
unsigned type:4;
// 编码方式
unsigned encoding:4;
// LRU - 24位, 记录最末一次访问时间（相对于lru_clock）
unsigned lru:LRU_BITS; /* lru time (relative to server.lruclock) */
// 引用计数
int refcount;
// 指向底层数据结构实例
void *ptr;
} robj;
redisObject 几个最重要的属性如下：
type：记录了对象所保存的值的类型，其值为下面几个常量之一
/* 对象类型 */
#define OBJ_STRING 0 // 字符串
#define OBJ_LIST 1 // 列表
#define OBJ_SET 2 // 集合
#define OBJ_ZSET 3 // 有序集
#define OBJ_HASH 4 // 哈希表
encoding：记录了对象所保存的值的编码，其值为下面几个常量之一
/* 对象编码 */
#define OBJ_ENCODING_RAW 0 /* Raw representation */
#define OBJ_ENCODING_INT 1 /* Encoded as integer */
#define OBJ_ENCODING_HT 2 /* Encoded as hash table */
#define OBJ_ENCODING_ZIPMAP 3 /* 注意：版本2.6后不再使用. */
#define OBJ_ENCODING_LINKEDLIST 4 /* 注意：不再使用了，旧版本2.x中String的底层之一. */
#define OBJ_ENCODING_ZIPLIST 5 /* Encoded as ziplist */
#define OBJ_ENCODING_INTSET 6 /* Encoded as intset */
#define OBJ_ENCODING_SKIPLIST 7 /* Encoded as skiplist */
#define OBJ_ENCODING_EMBSTR 8 /* Embedded sds string encoding */
#define OBJ_ENCODING_QUICKLIST 9 /* Encoded as linked list of ziplists */
#define OBJ_ENCODING_STREAM 10 /* Encoded as a radix tree of listpacks */
ptr：一个指针，指向实际保存值的数据结构，这个数据结构由type和encoding属性决定。举个例子， 如果一个redisObject 的type 属性为OBJ_LIST ， encoding 属性为OBJ_ENCODING_QUICKLIST ，那么这个对象就是一个Redis 列表（List)，它的值保存在一个QuickList的数据结构内，而ptr 指针就指向quicklist的对象。
在内存中的结构如下图：
lru: 记录了对象最后一次被命令程序访问的时间。
基于该属性，Redis引入了一个叫做空转时长的概念，当前时间减去键的值对象的lru时间，就是该键的空转时长。Object idletime命令可以打印出给定键的空转时长
如果服务器打开了maxmemory选项，并且服务器用于回收内存的算法为volatile-lru或者allkeys-lru，那么当服务器占用的内存数超过了maxmemory选项所设置的上限值时，空转时长较高的那部分键会优先被服务器释放，从而回收内存。
refcount：记录当前对象被引用了多少次，对象被创建时记录为1，当对一个对象进行共享时，redis将这个对象的refcount加一。当使用完一个对象后，或者消除对一个对象的引用之后，程序将对象的refcount减一。当对象的refcount降至0 时，这个RedisObject结构，以及它引用的数据结构的内存都会被释放。
关于引用计数，这里涉及到了对象共享,redis一般会把一些常见的值放到一个共享对象中，这样可使程序避免了重复分配的麻烦，也节约了一些CPU时间，redis预分配的值对象如下：
（1）各种命令的返回值，比如成功时返回的OK，错误时返回的ERROR，命令入队事务时返回的QUEUE，等等。（注意只有常用字符串，因为字符串的比较时间复杂度接近O(n)）
（2）包括0 在内，小于REDIS_SHARED_INTEGERS的所有整数（REDIS_SHARED_INTEGERS的默认值是10000）
命令的类型检查和多态
当执行一个处理数据类型命令的时候，redis执行以下步骤
1、根据给定的key，在数据库字典中查找和他相对应的redisObject，如果没找到，就返回NULL；
2、检查redisObject的type属性和执行命令所需的类型是否相符，如果不相符，返回类型错误；
3、根据redisObject的encoding属性所指定的编码，选择合适的操作函数来处理底层的数据结构；
4、返回数据结构的操作结果作为命令的返回值。
redis对象与底层结构对应关系
经过上文和《Redis：底层数据结构》的介绍，我们对Redis的对象机制和底层数据结构有了一些了解，下面我们来介绍下Redis中基本数据类型的实现方式（即基于何种基础结构实现）。
Redis提供的基础数据类型如下：
| 数据类型 | 可以存储的值 | 操作 | 应用场景 |
| STRING | 字符串、整数或者浮点数 | 对整个字符串或者字符串的其中一部分执行操作 对整数和浮点数执行自增或者自减操作 | 做简单的键值对缓存 |
| LIST | 列表 | 从两端压入或者弹出元素 对单个或者多个元素进行修剪，只保留一个范围内的元素 | 存储一些列表型的数据结构，类似粉丝列表、文章的评论列表之类的数据 |
| SET | 无序集合 | 添加、获取、移除单个元素，检查一个元素是否存在于集合中，计算交集、并集、差集，从集合里面随机获取元素 | 交集、并集、差集的操作，比如交集，可以把两个人的粉丝列表整一个交集 |
| HASH | 包含键值对的无序散列表 | 添加、获取、移除单个键值对，获取所有键值对，检查某个键是否存在 | 结构化的数据，比如一个对象 |
| ZSET | 有序集合 | 添加、获取、删除元素，根据分值范围或者成员来获取元素，计算一个键的排名 | 去重但可以排序，如获取排名前几名的用户 |
1、String
字符串是Redis最基本的数据类型，不仅所有key都是字符串类型，其它几种数据类型构成的元素也是字符串。注意字符串的长度不能超过512M。
String类型可以存储数值和字符串，当存储字符串时，看过前文的朋友大概可以猜出时基于SDS实现的，而当存储的值是整数值时，String会判断其大小是否可以由long表示，可以的话直接保存，否则按字符串的模式保存。Redis通过3种不同的编码实现String的不同实现，这34种编码反方式分别为int，embstr和raw。
三种实现方式
int 编码：保存的是可以用 long 类型表示的整数值（浮点数类型也是作为字符串保存的，在需要的时候再将其转换成浮点数类型）
embstr 编码：保存长度小于44字节的字符串（redis3.2版本之前是39字节，之后是44字节）
raw 编码：保存长度大于44字节的字符串（redis3.2版本之前是39字节，之后是44字节）
我们看到虽然同样是基于SDS结构实现的String字符串，却分为了embst和raw两种类型，从上图中我们可以看出embst存储的值比raw小，且embst的内存是直接和redisObject连接在一起的，而raw则是通过指针进行的连接，这是因为embstr编码是专门用来保存短字符串的一种优化编码。
embstr的使用只分配一次内存空间（因此redisObject和sds是连续的），而raw需要分配两次内存空间（分别为redisObject和sds分配空间）。
因此与raw相比，embstr的好处在于创建时少分配一次空间，删除时少释放一次空间，以及对象的所有数据连在一起，寻找方便。
而embstr的坏处也很明显，如果字符串的长度增加需要重新分配内存时，整个redisObject和sds都需要重新分配空间，因此redis中的embstr实现为只读。
编码的转换
（1）数值转字符串：当 int 编码保存的值不再是整数，或大小超过了long的范围时，自动转化为raw。
（2）字符串修改：对于 embstr 编码，由于 Redis 没有对其编写任何的修改程序（embstr 是只读的），在对embstr对象进行修改时，都会先转化为raw再进行修改，因此，只要是修改embstr对象，修改后的对象一定是raw的，无论是否达到了44个字节。
List
list 列表，它是简单的字符串列表，按照插入顺序排序，你可以添加一个元素到列表的头部（左边）或者尾部（右边），它的底层实际上是个链表结构。
列表对象的编码目前有三种，quicklist、zipmap、linkedlist，不过后两种并没有被使用，因此list类型的编码其实被固定为了quicklist，quicklist在前文中已经做了详细介绍，这里不多赘述。
Hash
哈希对象的编码可以是 ziplist 或者 hashtable；对应的底层实现有两种, 一种是ziplist, 一种是dict。
两种实现
1、编码为ziplist时的内存分布：
当使用ziplist作为底层实现时，新增的键值对是保存到压缩列表的表尾。
2、编码为hashtable时的内存分布：
当使用dict作为底层实现时，哈希对象中的每个键值对都使用一个字典键值对（键与值均是以sds的形式存储的）。
其实使用dict作为Hash的实现已经足够了，就像我们java中的HashMap，但是Redis为了能够节省内存，将ziplist也提供为了hash的实现之一，就是为了能够在元素个数少、元素长度小的场景下尽量的压缩内存占用，达到节省空间的目的。
编码转换
当同时满足下面两个条件时，使用ziplist（压缩列表）编码：
1、列表保存元素个数小于512个
2、每个元素长度小于64字节
不能满足这两个条件的时候使用 hashtable 编码。以上两个条件也可以通过Redis配置文件zset-max-ziplist-entries 选项和 zset-max-ziplist-value 进行修改。
Set
实现方式
集合对象的底层结构有2种，分别是intset和dict。 显然当使用intset作为底层实现的数据结构时, 集合中存储的只能是数值数据, 且必须是整数; 而当使用dict作为集合对象的底层实现时, 是将数据全部存储于dict的键中, 值字段闲置不用。
intset（注意只能存储整数）：
dict（注意这里和Hash种的区别，Hash中key和value都有值，这里只有key有值）：
编码转换
当集合同时满足以下两个条件时，使用 intset 编码：
1、集合对象中所有元素都是整数
2、集合对象所有元素数量不超过512
不能满足这两个条件的就使用 hashtable 编码。第二个条件可以通过配置文件的 set-max-intset-entries 进行配置。
Zset
zset作为有序集合，使用score对元素进行排序。有序集合的底层实现依然有两种, 一种是使用ziplist作为底层实现, 另外一种比较特殊, 底层使用了两种数据结构: dict与zskiplist。
实现方式
使用ziplist时：
ziplist可以有效的节省内存，当数据量不大的时候使用ziplist是个不错的选择，参考上文在hash中使用ziplist作为底层实现的设置，分别使用2个相邻的节点作为key和value，在有序集合中redis将他们调整为了data和score，同时做好去重和排序的工作。
使用dict+zskiplist时：
我们从上图中可以看出，这里将dict中的table数组作为了zskiplistNode节点的指针，将两种结构结合了起来。
这么做的原因在于：
（1）假如我们单独使用 字典，虽然能以 O(1) 的时间复杂度查找成员的分值，但是因为字典是以无序的方式来保存集合元素，所以每次进行范围操作的时候都要进行排序。
（2）假如我们单独使用跳跃表来实现，虽然能执行范围操作，但是查找操作的复杂度变为了O(logN)。
将两者结合起来后，技能利用到dict的快速查找能力，又能利用到zskiplist自身有序的特点。
编码转换
当有序集合对象同时满足以下两个条件时，对象使用 ziplist 编码：
1、保存的元素数量小于128；
2、保存的所有元素长度都小于64字节。
不能满足上面两个条件的使用 skiplist 编码。以上两个条件也可以通过Redis配置文件zset-max-ziplist-entries 选项和 zset-max-ziplist-value 进行修改。
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