深入理解Redis数据类型Zset原理

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前言

zset是一种可以用来排序功能的有序集合，每个元素有一个浮点型的score属性，根据score来从小到大排序，score相同时，按照key的ascii码排序` 。

和其他数据结构比较

一、基本使用

ZADD key [NX|XX] [CH] [INCR] score member [score member ...]
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1、zadd插入元素到有序集合语法

2、key有序集合名

3、NX-元素不存在时才设置成功,XX-元素存在时才设置成功

4、CH 修改返回值=添加的新元素和修改的元素之和

5、INCR 修改新的score为原score加上新指定的score值

6、score 新元素的分数值

7、新元素名称

ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
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1、ZRANGE 按范围查找有序集合中元素，支持返回元素的分数

2、key是需要查找的有序集合

3、start 开始坐标，0-代表第1个元素，依次内推，-1-代表最后一个元素

4、WITHSCORES 是否返回分值

二、存储类型

和hash类型一样，zset也使用两种编码：ziplist和skiplist（跳表）。

在redis.conf中，通过下面的配置条件来切换存储类型

#元素个数小于128个时使用ziplistzset-max-ziplist-entries 128# 任意一个元素值member字节超过64字节，不使用ziplistzset-max-ziplist-value 64
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在源码中，新增一个元素时候，如果不存在有序集合，会根据配置创建不同存储类型的zset。

// 新增元素命令 根据配置创建不同编码的zsetvoid zaddGenericCommand(client *c, int flags) {.../* Lookup the key and create the sorted set if does not exist. */    zobj = lookupKeyWrite(c->db,key);    if (zobj == NULL) {        if (xx) goto reply_to_client; /* No key + XX option: nothing to do. */        if (server.zset_max_ziplist_entries == 0 ||            server.zset_max_ziplist_value < sdslen(c->argv[scoreidx+1]->ptr))        {        //如果满足配置的ziplist阈值，使用ziplist编码            zobj = createZsetObject();        } else {        // 使用skiplist            zobj = createZsetZiplistObject();        }        dbAdd(c->db,key,zobj);    } else {        if (zobj->type != OBJ_ZSET) {            addReply(c,shared.wrongtypeerr);            goto cleanup;        }    }    ...}
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ziplist结构在上文中，已经分析过，本文就不再分析了，本文将重点分析skiplist

三、跳表分析

redis跳表的特点：

1、用c语言翻译实现了William Pugh的平衡树的概率替代方案算法。

2、支持重复的score成员

3、支持分数排序，也支持数据排序

4、有一个后向指针，所以它是一个双向链表，后向指针仅在“级别 1”。这允许从尾到头遍历列表，对ZREVRANGE很有用

四、跳表结构定义

/* 跳表节点定义 ZSETs use a specialized version of Skiplists */typedef struct zskiplistNode {    //元素内容 字符串类型    sds ele;    //分数    double score;    //后继指针，用于从后向前查找数据    struct zskiplistNode *backward;    struct zskiplistLevel {    //前驱指针，用于向前面查找数据        struct zskiplistNode *forward;    //元素跨度        unsigned long span;    } level[];} zskiplistNode;typedef struct zskiplist {    struct zskiplistNode *header, *tail;    //大小    unsigned long length;    //总层数    int level;} zskiplist;typedef struct zset {    //字典    dict *dict;    //跳表    zskiplist *zsl;} zset;
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总结：跳表是一个链表，每个节点上有一个层级数组，每一层的节点都保存下一个节点的指针。

五、skiplist新增方法源码分析

//插入一个节点
zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, double score, sds ele) { 
/* update保存每一层插入位置的前一个节点 */    
zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;    
unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];    
int i, level;    
serverAssert(!isnan(score));    
//zset头节点    
x = zsl->header;    
//从最大层开始遍历，寻找每一层插入位置的前一个节点    
for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
//计算插入位置 最大层基础是0，其他是下一层作为基础        
/* store rank that is crossed to reach the insert position */        
rank[i] = i == (zsl->level-1) ? 0 : rank[i+1];        
//当前节点的分数小于插入元素分数，或者分数相等，内容小于插入元素内容（需要在这个节点前插入数据）        
while (x->level[i].forward && (x->level[i].forward->score < score 
||(x->level[i].forward->score == score 
&& sdscmp(x->level[i].forward->ele,ele) < 0))){  
 // 累加当前节点跨越的节点数            
 rank[i] += x->level[i].span;            
 // 记录比现在当前节点小的节点            
 x = x->level[i].forward;        
}        
update[i] = x; 
}    
/* we assume the element is not already inside, since we allow duplicated     * scores, reinserting the same element should never happen since the     * caller of zslInsert() should test in the hash table if the element is     * already inside or not. */
//计算新元素 的等级    
level = zslRandomLevel();    
//新元素等级 比当前跳表等级 大    
if (level > zsl->level) {        
 //初始化新等级和老等级之间的每个等级 插入位置前一个节点数据        
 for (i = zsl->level; i < level; i++) {            
  //初始化 插入位置前一个节点 是第1个节点            
  rank[i] = 0;            
  //初始化 插入位置前一个节 为头节点            
  update[i] = zsl->header;            
  //初始化 插入位置前一个节点 跨越的节点数 为跳表长度            
  update[i]->level[i].span = zsl->length;        
 }       
 zsl->level = level;    
}    
 //创建一个新节点    
 x = zslCreateNode(level,score,ele);    
//遍历每一层 根据之前算好的前一个位置,将新节点插入到每层的位置    
for (i = 0; i < level; i++) {        
 //更新新节点下一个节点        
 x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;        
 //新节点插入 链接        
 update[i]->level[i].forward = x;       
 //更新跨度        
 /* update span covered by update[i] as x is inserted here */        
 x->level[i].span = update[i]->level[i].span - (rank[0] - rank[i]);
 update[i]->level[i].span = (rank[0] - rank[i]) + 1;    
}
/* increment span for untouched levels */    
for (i = level; i < zsl->level; i++) {        
update[i]->level[i].span++;    
}    
//修改新的节点的前驱节点    
x->backward = (update[0] == zsl->header) ? NULL : update[0];
if (x->level[0].forward)        
 x->level[0].forward->backward = x;
else        
 //新节点属于尾节点        
 zsl->tail = x;    
 //长度增加    
 zsl->length++;    
 return x;
}
//随机计算新层级
int zslRandomLevel(void) {
int level = 1;    
// 随机数 < 65535*0.25（百分之25概率要加1个层级） 层级自增1    
while ((random()&0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF))        
 level += 1;    
 return (level<ZSKIPLIST_MAXLEVEL) ? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
}
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整体流程入下图：