深入剖析Redis系列(七) - Redis数据结构之列表

前言

列表（list）类型是用来存储多个 有序 的 字符串。在 Redis 中，可以对列表的 两端 进行 插入（push）和 弹出（pop）操作，还可以获取 指定范围 的 元素列表、获取 指定索引下标 的 元素 等。

列表 是一种比较 灵活 的 数据结构，它可以充当 栈 和 队列 的角色，在实际开发上有很多应用场景。

如图所示，a、b、c、d、e 五个元素 从左到右 组成了一个 有序的列表，列表中的每个字符串称为 元素（element），一个列表最多可以存储 2 ^ 32 - 1 个元素。

• 列表的 插入 和 弹出 操作

• 列表的 获取、截取 和 删除 操作

正文

1. 相关命令

下面将按照对 列表 的 5 种 操作类型 对命令进行介绍：

1.1. 添加命令

1.1.1. 从右边插入元素

rpush key value [value ...]

下面代码 从右向左 插入元素 c、b、a：

127.0.0.1:6379> rpush listkey c b a
(integer) 3
复制代码

lrange 0 -1 命令可以 从左到右 获取列表的 所有元素：

127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1
1) "c"
2) "b"
3) "a"
复制代码

1.1.2. 从左边插入元素

lpush key value [value ...]

使用方法和 rpush 相同，只不过从 左侧插入，这里不再赘述。

1.1.3. 向某个元素前或者后插入元素

linsert key before|after pivot value

linsert 命令会从 列表 中找到 第一个 等于 pivot 的元素，在其 前（before）或者 后（after）插入一个新的元素 value，例如下面操作会在列表的 元素 b 前插入 redis：

127.0.0.1:6379> linsert listkey before b redis
(integer) 4
复制代码

返回结果为 4，代表当前 列表 的 长度，当前列表变为：

127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1
1) "c"
2) "redis"
3) "b"
4) "a"
复制代码

1.2. 查询命令

1.2.1. 获取指定范围内的元素列表

lrange key start stop

lrange 操作会获取列表 指定索引 范围所有的元素。

索引下标 有两个特点：

• 其一，索引下标 从左到右 分别是 0 到 N-1，但是 从右到左 分别是 -1 到 -N。

• 其二，lrange 中的 end 选项包含了 自身，这个和很多编程语言不包含 end 不太相同。

从左到右 获取列表的第 2 到第 4 个元素，可以执行如下操作：

127.0.0.1:6379> lrange listkey 1 3
1) "redis"
2) "b"
3) "a"
复制代码

从右到左 获取列表的第 1 到第 3 个元素，可以执行如下操作：

127.0.0.1:6379> lrange listkey -3 -1
1) "redis"
2) "b"
3) "a"
复制代码

1.2.2. 获取列表指定索引下标的元素

lindex key index

例如当前列表 最后一个 元素为 a：

127.0.0.1:6379> lindex listkey -1
"a"
复制代码

1.2.3. 获取列表长度

llen key

例如，下面示例 当前列表长度 为 4：

127.0.0.1:6379> llen listkey
(integer) 4
复制代码

1.3. 删除命令

1.3.1. 从列表左侧弹出元素

lpop key

如下操作将 列表 最左侧的元素 c 弹出，弹出后 列表 变为 redis、b、a。

127.0.0.1:6379> lpop listkey
"c"
127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1
1) "redis"
2) "b"
3) "a"
复制代码

1.3.2. 从列表右侧弹出元素

rpop key

它的使用方法和 lpop 是一样的，只不过从列表 右侧 弹出元元素。

127.0.0.1:6379> lpop listkey
"a"
127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1
1) "c"
2) "redis"
3) "b"
复制代码

1.3.3. 删除指定元素

lrem key count value

lrem 命令会从 列表 中找到 等于 value 的元素进行 删除，根据 count 的不同分为三种情况：

• count > 0：从左到右，删除最多 count 个元素。

• count < 0：从右到左，删除最多 count 绝对值 个元素。

• count = 0，删除所有。

例如向列表 从左向右 插入 5 个 a，那么当前 列表 变为 “a a a a a redis b a”，下面操作将从列表 左边 开始删除 4 个为 a 的元素：

127.0.0.1:6379> lrem listkey 4 a
(integer) 4
127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1
1) "a"
2) "redis"
3) "b"
4) "a"
复制代码

1.3.4. 按照索引范围修剪列表

127.0.0.1:6379> ltrim listkey 1 3
OK
127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1
1) "redis"
2) "b"
3) "a"
复制代码

1.4. 修改命令

1.4.1. 修改指定索引下标的元素

修改 指定索引下标 的元素：

lset key index newValue

下面操作会将列表 listkey 中的第 3 个元素设置为 mysql：

127.0.0.1:6379> lset listkey 2 mysql
OK
127.0.0.1:6379> lrange listkey 0 -1
1) "redis"
2) "b"
3) "mysql"
复制代码

1.5. 阻塞操作命令

阻塞式弹出 操作的命令如下：

blpop key [key ...] timeout brpop key [key ...] timeout

blpop 和 brpop 是 lpop 和 rpop 的 阻塞版本，它们除了 弹出方向 不同，使用方法 基本相同，所以下面以 brpop 命令进行说明， brpop 命令包含两个参数：

• key[key...]：一个列表的 多个键。

• timeout：阻塞 时间（单位：秒）。

对于 timeout 参数，要氛围 列表为空 和 不为空 两种情况：

• 列表为空

如果 timeout = 3，那么 客户端 要等到 3 秒后返回，如果 timeout = 0，那么 客户端 一直 阻塞 等下去：

127.0.0.1:6379> brpop list:test 3
(nil)
(3.10s)
127.0.0.1:6379> brpop list:test 0
...阻塞...
复制代码

如果此期间添加了数据 element1，客户端 立即返回：

127.0.0.1:6379> brpop list:test 3
1) "list:test"
2) "element1"
(2.06s)
复制代码

• 列表不为空：客户端会 立即返回。

127.0.0.1:6379> brpop list:test 0
1) "list:test"
2) "element1"
复制代码

在使用 brpop 时，有以下两点需要注意：

• 其一，如果是 多个键，那么 brpop 会 从左至右 遍历键，一旦有 一个键 能 弹出元素，客户端 立即返回：

127.0.0.1:6379> brpop list:1 list:2 list:3 0
..阻塞..
复制代码

此时另一个 客户端 分别向 list:2 和 list:3 插入元素：

client-lpush> lpush list:2 element2
(integer) 1
client-lpush> lpush list:3 element3
(integer) 1
复制代码

客户端 会立即返回 list:2 中的 element2，因为 list:2 最先有 可以弹出 的元素。

127.0.0.1:6379> brpop list:1 list:2 list:3 0
1) "list:2"
2) "element2"
复制代码

• 其二，如果 多个客户端 对 同一个键 执行 brpop，那么 最先执行 brpop 命令的 客户端 可以 获取 到弹出的值。

按先后顺序在 3 个客户端执行 brpop 命令：

• 客户端1：

client-1> brpop list:test 0
...阻塞...
复制代码

• 客户端2：

client-2> brpop list:test 0
...阻塞...
复制代码

• 客户端3：

client-3> brpop list:test 0
...阻塞...
复制代码

此时另一个 客户端 lpush 一个元素到 list:test 列表中：

client-lpush> lpush list:test element
(integer) 1
复制代码

那么 客户端 1 会获取到元素，因为 客户端 1 最先执行 brpop 命令，而 客户端 2 和 客户端 3 会继续 阻塞。

client> brpop list:test 0
1) "list:test"
2) "element"
复制代码

有关 列表 的 基础命令 已经介绍完了，下表是相关命令的 时间复杂度：

2. 内部编码

列表类型的 内部编码 有两种：

2.1. ziplist（压缩列表）

当列表的元素个数 小于 list-max-ziplist-entries 配置（默认 512 个），同时列表中 每个元素 的值都 小于 list-max-ziplist-value 配置时（默认 64 字节），Redis 会选用 ziplist 来作为 列表 的 内部实现 来减少内存的使用。

2.2. linkedlist（链表）

当 列表类型 无法满足 ziplist 的条件时， Redis 会使用 linkedlist 作为 列表 的 内部实现。

2.3. 编码转换

下面的示例演示了 列表类型 的 内部编码，以及相应的变化。

• 当元素 个数较少 且 没有大元素 时，内部编码 为 ziplist：

127.0.0.1:6379> rpush listkey e1 e2 e3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> object encoding listkey
"ziplist"
复制代码

• 当元素个数超过 512 个，内部编码 变为 linkedlist：

127.0.0.1:6379> rpush listkey e4 e5 ... e512 e513
(integer) 513
127.0.0.1:6379> object encoding listkey
"linkedlist"
复制代码

• 当某个元素超过 64 字节，内部编码 也会变为 linkedlist：

127.0.0.1:6379> rpush listkey "one string is bigger than 64 byte..."
(integer) 4
127.0.0.1:6379> object encoding listkey
"linkedlist"
复制代码

Redis3.2 版本提供了 quicklist 内部编码，简单地说它是以一个 ziplist 为 节点 的 linkedlist，它结合了 ziplist 和 linkedlist 两者的优势，为 列表类型 提供了一种更为优秀的 内部编码 实现，它的设计原理可以参考 Redis 的另一个作者 Matt Stancliff 的博客 redis-quicklist。

3. 应用场景

3.1. 消息队列

通过 Redis 的 lpush + brpop 命令组合，即可实现 阻塞队列。如图所示：

生产者客户端 使用 lrpush 从列表 左侧插入元素，多个消费者客户端 使用 brpop 命令 阻塞式 的 “抢” 列表 尾部 的元素，多个客户端 保证了消费的 负载均衡 和 高可用性。

3.2. 文章列表

每个 用户 有属于自己的 文章列表，现需要 分页 展示文章列表。此时可以考虑使用 列表，因为列表不但是 有序的，同时支持 按照索引范围 获取元素。

• 每篇文章使用 哈希结构 存储，例如每篇文章有 3 个属性 title、timestamp、content：

hmset acticle:1 title xx timestamp 1476536196 content xxxx
hmset acticle:2 title yy timestamp 1476536196 content yyyy
...
hmset acticle:k title kk timestamp 1476512536 content kkkk
复制代码

• 向用户文章列表 添加文章，user:{id}:articles 作为用户文章列表的 键：

lpush user:1:acticles article:1 article:3 article:5
lpush user:2:acticles article:2 article:4 article:6
...
lpush user:k:acticles article:7 article:8
复制代码

• 分页 获取 用户文章列表，例如下面 伪代码 获取用户 id=1 的前 10 篇文章：

articles = lrange user:1:articles 0 9
for article in {articles}
    hgetall {article}
复制代码

使用 列表 类型 保存 和 获取 文章列表会存在两个问题：

• 第一：如果每次 分页 获取的 文章个数较多，需要执行多次 hgetall 操作，此时可以考虑使用 Pipeline 进行 批量获取，或者考虑将文章数据 序列化为字符串 类型，使用 mget 批量获取。

• 第二：分页 获取 文章列表 时， lrange 命令在列表 两端性能较好，但是如果 列表较大，获取列表 中间范围 的元素 性能会变差。此时可以考虑将列表做 二级拆分，或者使用 Redis 3.2 的 quicklist 内部编码实现，它结合 ziplist 和 linkedlist 的特点，获取列表 中间范围 的元素时也可以 高效完成。

3.3. 其他场景

实际上列表的使用场景很多，具体可以参考如下：

命令组合	对应数据结构
lpush + lpop	Stack（栈）
lpush + rpop	Queue（队列）
lpush + ltrim	Capped Collection（有限集合）
lpush + brpop	Message Queue（消息队列）

小结

本文介绍了 Redis 中的 列表 的 一些 基本命令、内部编码 和 适用场景。通过组合不同 命令，可以把 列表 转换为不同的 数据结构 使用。

参考

《Redis 开发与运维》

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