1. Sorted Sets是什么
Sorted Sets 与 Sets 类似，是一种集合类型，集合中不会出现重复的数据（member）。区别在于 Sorted Sets 元素由两部分组成，分别是 member 和 score。member 会关联一个 double 类型的分数（score），sorted sets 默认会根据这个 score 对 member 进行从小到大的排序，如果 member 关联的分数 score 相同，则按照字符串的字典顺序排序。
常见的使用场景：
- 排行榜，比如维护大型在线游戏中根据分数排名的 Top 10 有序列表。
- 速率限流器，根据排序集合构建滑动窗口速率限制器。
- 延迟队列，score 存储过期时间，从小到大排序，最靠前的就是最先到期的数据。
2. 修炼心法
Sorted Sets 底层有两种方式来存储数据。
- 在 7.0 版本之前是 ziplist，之后被 listpack 代替，使用 listpack 存储的条件是集合元素个数小于等于
zset-max-listpack-entries配置值（默认 128），且 member 占用字节大小小于zset-max-listpack-value配置值（默认 64）时使用 listpack 存储，member 和 score 紧凑排列作为 listpack 的一个元素进行存储。 - 不满足上述条件，使用 skiplist + dict（散列表） 组合方式存储，数据会插入 skiplist 的同时也会向 dict（散列表）中插入数据 ，是一种用空间换时间的思路。散列表的 key 存放的是元素的 member，value 存储的是 member 关联的 score。
MySQL：“也就是说 listpack 适用于元素个数不多且元素内容不大的场景。”
对，使用 listpack 存储的目的就是节省内存。Sorted Sets 能支持高效的范围查询，正是因为采用了 skiplist 跳表，比如 ZRANGE 命令时时间复杂度为 O(log(n)) + m， n 是 member 个数，m 是返回结果数。需要注意的是，你应该避免命令会返回大量结果。
而使用 dict 的原因是实现 O(1) 时间复杂度查询单个元素。比如 ZSCORE key member 指令。总结来说，Sorted Sets 在插入或者更新的时候，会同时往 skiplist 和 散列表中插入或者更新对应的数据。保证 skiplist 和散列表的数据一致。
MySQL：“这个方式很巧妙呀，skiplist 用来根据 score 进行范范围查询或者单个查询，dict 散列表则用于实现 O(1) 时间复杂度查根据数据查询对应 score，满足高效范围查询和单元素查询。“
sorted sets 实现源码主要在以下两个文件中。
- 结构定义在
server.h。 - 功能实现在
t_zset.c。
先看 skiplist（跳表） + dict（散列表）数据结构如何存储数据。
skiplist + dict
MySQL：“说说什么是跳表吧”
实质就是一种可以进行二分查找的有序链表。跳表在原有的有序链表上面增加了多级索引，通过索引来实现快速查找。不仅能提高搜索性能，还可以提高插入和删除操作的性能。它在性能上和红黑树、AVL 树不相上下，但是跳表的原理和实现比红黑树简单。回顾链表，它的痛点就是查询很慢，O(n) 时间复杂度，作为唯快不破的 Redis 是不能忍的。
如果在有序链表的每相邻两个节点增加一个“跳跃”指向下下个节点的指针，那么查找的时间复杂度就可以降低为原来的一半，如下图所示。
这样 level 0 和 level 1 分别形成两个链表，level 1 层的链表节点个数只有 2 个（6、26）。
跳表节点查找
查找数据总是从最高层开始比较，如果节点保存的值比待查数据小，跳表就继续访问该层的下一个节点；如果碰到比待查数据值大的节点时，那就跳到当前节点的下一层的链表继续查找。比如现在想查找 17，查找的路径如下图红色指向的方向进行。
- 从 level 1 开始，17 与 6 比较，值大于节点，继续与下一个节点比较。
- 与 26 比较，17 < 26，回到原节点，跳到当前节点的 level 0 层链表，与下一个节点比较，找到目标 17。
skiplist 正是受这种多层链表的想法启发设计出来的。按照上面的生成链表方式，每次往上增加一层链表的节点个数是下面一层的一半，这样的查找过程就类似于一个二分查找，时间复杂度为 O(log n)。
但是，这种方式在插入数据的时候有很大的问题，每次新增一个节点，就会打乱相邻的两层链表节点个数 2:1 的关系，如果要维持这个关系，就需要对链表调整，事件复杂度是 O(n)。为了避免这个问题，它不要求上下相邻的两层链表节点个数有严格的比例关系，而是为每个节点随机出一个层数，这样插入节点只需要修改前后指针。如下图是一个有 4 层链表的 skiplist，假设我们要查找 26，下图给出了查找经历过的路径。
对经典跳表有个直观的映像后，来看看 Redis 中 skiplist 的实现细节，Sorted Sets 数据结构定义如下。
typedef struct zset {
dict *dict;
zskiplist *zsl;
} zset;
zset 结构体中有两个变量，分别是散列表 dict 和跳表 zskiplist。dict 在前文已经讲过， 重点看 zskiplist 。
typedef struct zskiplist {
// 头、尾指针便于双向遍历
struct zskiplistNode *header, *tail;
// 当前跳表包含元素个数
unsigned long length;
// 表内节点的最大层级数
int level;
} zskiplist;
zskiplistNode *header, *tail，两个头、尾指针，用于实现双向遍历。length，链表包含的节点总数。需要注意的是，新创建的zskiplist会生成一个空的头指针，它不包含在 length 计数中。level，表示skiplist中，所有节点层数的最大值。
接着继续看 skiplist 中每个节点的定义 zskiplistNode 结构体。
typedef struct zskiplistNode {
sds ele;
double score;
struct zskiplistNode *backward;
struct zskiplistLevel {
struct zskiplistNode *forward;
unsigned long span;
} level[];
} zskiplistNode;
-
Sorted Set 既要保存元素，又要保存元素的权重。所以对应了 sds 类型的 ele 存储实际内容， double 类型 score 用于保存权重。
-
*backward，后退指针，指向该节点的上一个节点，便于从尾节点实现倒序查找。注意，每个节点只有一个后向指针，只有 level 0 层链表是一个双向链表。 -
level[]，是一个zskiplistLevel结构体类型的柔性数组。跳表是一个多层的有序链表，每一层的节点也是由指针链接起来的，所以数组中每个元素代表着 skiplist 的一层。-
*forward，该层的前进指针。 -
span，跨度，用来记录节点在该层的*forward指针到指针指向的下一个节点之间跨越了 level0 层的节点数。span 用于计算元素排名(rank)，例如查找 ele = 肖菜鸡、score = 17 的排名，只需要把查找路径经过的节点的 span 相加即可，如下图的红色路径的 span 累加，rank = (2 + 2) - 1 = 3（减 1 是因为 rank 从 0 开始）。如果要计算从大到小的排名，只需要用 skiplist 长度减去查找路径上的 span 累加值，即4 - (2 + 2) = 0。
-
下图展示了 Redis 中一个 skiplsit 的可能结构。
listpack
MySQL：“根据
zset
结构体定义可知，分别使用了 dict、zskiplist 两种数据结构，listpack 影子都见不着呀。“
这个问题问得好，使用 listpack 存储的细节在源码文件t_zset.c 中的zaddGenericCommand函数中体现，部分代码如下，内部会判断是否使用 listpack 来存储。·
void zaddGenericCommand(client *c, int flags) {
// 省略部分代码
// key 不存在则创建 sorted set
zobj = lookupKeyWrite(c->db,key);
if (checkType(c,zobj,OBJ_ZSET)) goto cleanup;
if (zobj == NULL) {
if (xx) goto reply_to_client;
// 当 zset_max_listpack_entries == 0 或者
// 元素字节大小大于 zset_max_listpack_value 配置
// 则使用 skiplist + dict 存储，否则使用 listpack。
if (server.zset_max_listpack_entries == 0 ||
server.zset_max_listpack_value < sdslen(c->argv[scoreidx+1]->ptr))
{
zobj = createZsetObject();
} else {
zobj = createZsetListpackObject();
}
dbAdd(c->db,key,zobj);
}
// 省略部分代码
}
我们知道，listpack 是一块由多个数据项组成的连续内存。而 sorted set 每一项元素是由 member 和 score 两部分组成。采用 listpack 存储插入一个（member、score）数据对的时候，每个 member/score 数据对紧凑排列存储。listpack 最大的优势就是节省内存，查找元素的话只能按顺序查找，时间复杂度是 O(n)。正是如此，在少量数据的情况下，才能做到既能节省内存，又不会影响性能。每一步查找前进两个数据项，也就是跨越一个 member/score 数据对。
