Redis有序集合ZSET：核心概念、命令详解与应用案例 – wiki基地

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Redis 有序集合 ZSET：核心概念、命令详解与应用案例

Redis，作为一个高性能的键值存储系统，提供了多种数据结构来满足不同的应用场景。其中，有序集合（Sorted Set），简称 ZSET，是一个非常强大且独特的数据结构，它结合了哈希表和跳跃链表的特性，使得数据既能快速查找，又能按分数（score）进行排序。

一、ZSET 的核心概念

有序集合 ZSET 是一个非重复字符串的集合，其中每个成员（member）都关联着一个浮点数分数（score）。这个分数是 ZSET 的核心，它决定了集合中成员的排序方式。

关键特性：

  1. 成员唯一性： ZSET 中的每个成员都是唯一的，不能有重复的成员。
  2. 分数排序： 集合中的所有成员都根据其关联的分数进行排序。分数可以重复，但成员不能重复。当分数相同时，Redis 会根据成员的字典序进行二次排序（这是 Redis 3.2 版本之后引入的）。
  3. 快速查找： ZSET 内部通过哈希表存储成员到分数的映射，因此可以 O(1) 时间复杂度快速查找成员对应的分数。
  4. 范围查询： ZSET 内部通过跳跃链表（Skip List）维护了成员的有序性，使得可以高效地进行范围查询，例如查询分数在某个区间内的成员，或者查询排名在某个区间内的成员。

内部实现：

Redis 的 ZSET 底层采用了两种数据结构：

  • 哈希表 (Hash Table)： 用于存储成员到分数的映射，提供 O(1) 时间复杂度的成员查找和分数获取。
  • 跳跃链表 (Skip List)： 用于存储成员及其分数，并根据分数进行排序。跳跃链表是一种概率型数据结构，它维护了多层链表，通过“跳跃”的方式快速定位元素，从而实现 O(logN) 时间复杂度的插入、删除和查找操作。

当 ZSET 中成员数量较少且成员长度较小时，Redis 会使用 ziplist（压缩列表）来优化存储，减少内存开销。一旦满足不了 ziplist 的条件，就会自动转换为哈希表和跳跃链表的组合。

二、ZSET 命令详解

以下是 ZSET 的一些常用命令及其用法：

  1. 添加成员：ZADD key score member [score member ...]

    • 作用： 将一个或多个成员及其分数添加到有序集合中。
    • 示例： ZADD myrank 100 "Alice" 90 "Bob" 85 "Charlie"
    • 选项：
      • NX：只在成员不存在时添加。
      • XX：只在成员存在时更新分数。
      • CH：返回被修改的成员数量（包括新添加的和分数更新的）。
      • INCR：将成员的分数增加指定值。

  2. 获取成员数量：ZCARD key

    • 作用： 返回有序集合中成员的数量。
    • 示例： ZCARD myrank (返回 3)

  3. 获取成员分数：ZSCORE key member

    • 作用： 返回有序集合中指定成员的分数。
    • 示例： ZSCORE myrank "Alice" (返回 100.0)

  4. 获取成员排名（从小到大）：ZRANK key member

    • 作用： 返回有序集合中指定成员的排名（0-based index），分数最低的成员排名为 0。
    • 示例： ZRANK myrank "Charlie" (返回 0)

  5. 获取成员排名（从大到小）：ZREVRANK key member

    • 作用： 返回有序集合中指定成员的排名（0-based index），分数最高的成员排名为 0。
    • 示例： ZREVRANK myrank "Alice" (返回 0)

  6. 通过排名范围获取成员：ZRANGE key start stop [WITHSCORES]

    • 作用： 返回有序集合中指定排名范围内的成员，分数从小到大排序。start 和 stop 可以是负数，表示从末尾开始计算。
    • 示例： ZRANGE myrank 0 -1 WITHSCORES (返回所有成员及分数)

  7. 通过排名范围反向获取成员：ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]

    • 作用： 返回有序集合中指定排名范围内的成员，分数从大到小排序。
    • 示例： ZREVRANGE myrank 0 1 WITHSCORES (返回分数最高的 2 个成员及分数)

  8. 通过分数范围获取成员：ZRANGEBYSCORE key min max [WITHSCORES] [LIMIT offset count]

    • 作用： 返回有序集合中分数在 min 和 max 之间的成员，分数从小到大排序。
    • 示例： ZRANGEBYSCORE myrank 80 95 WITHSCORES (返回分数在 80 到 95 之间的成员)
    • 分数区间：
      • (min：不包含 min。
      • [min：包含 min。
      • +inf：正无穷。
      • -inf：负无穷。

  9. 通过分数范围反向获取成员：ZREVRANGEBYSCORE key max min [WITHSCORES] [LIMIT offset count]

    • 作用： 与 ZRANGEBYSCORE 类似，但分数从大到小排序，且 max 和 min 的顺序是反过来的。
    • 示例： ZREVRANGEBYSCORE myrank 95 80 WITHSCORES

  10. 移除成员：ZREM key member [member ...]

    • 作用： 从有序集合中移除一个或多个成员。
    • 示例： ZREM myrank "Bob"

  11. 通过排名范围移除成员：ZREMRANGEBYRANK key start stop

    • 作用： 移除有序集合中指定排名范围内的成员。
    • 示例： ZREMRANGEBYRANK myrank 0 0 (移除排名第一的成员)

  12. 通过分数范围移除成员：ZREMRANGEBYSCORE key min max

    • 作用： 移除有序集合中分数在指定范围内的成员。
    • 示例： ZREMRANGEBYSCORE myrank 0 60 (移除分数低于 60 的成员)

  13. 计算分数范围内的成员数量：ZCOUNT key min max

    • 作用： 返回有序集合中分数在指定范围内的成员数量。
    • 示例： ZCOUNT myrank 80 100

  14. 对 ZSET 进行交集和并集操作：ZINTERSTORE / ZUNIONSTORE

    • 作用： 这两个命令用于计算多个有序集合的交集或并集，并将结果存储到一个新的有序集合中。它们允许你指定如何聚合分数（SUM、MIN、MAX）以及每个输入集合的权重。
    • 复杂命令，详情请查阅 Redis 官方文档。

三、ZSET 的应用案例

ZSET 凭借其独特的排序和范围查询能力，在许多场景中都扮演着关键角色。

  1. 排行榜功能：

    • 场景： 游戏积分榜、商品销售榜、文章点赞榜等。
    • 实现： 将用户 ID（或商品 ID、文章 ID）作为成员，积分（或销量、点赞数）作为分数。
    • 操作：
      • 用户积分更新：ZADD game_rank INCR score user_id
      • 获取前 10 名：ZREVRANGE game_rank 0 9 WITHSCORES
      • 获取用户排名：ZREVRANK game_rank user_id
      • 获取用户分数：ZSCORE game_rank user_id

  2. 最新文章/热门商品列表：

    • 场景： 根据发布时间或热度（浏览量、评论数）展示文章或商品。
    • 实现： 将文章 ID 作为成员，发布时间戳或热度值作为分数。
    • 操作：
      • 发布新文章：ZADD latest_articles timestamp article_id
      • 获取最新 20 篇文章：ZREVRANGE latest_articles 0 19
      • 增加文章热度：ZADD hot_articles INCR 1 article_id

  3. 限时优惠/过期数据处理：

    • 场景： 需要在特定时间后自动失效的缓存、优惠券或任务队列。
    • 实现： 将数据 ID 作为成员，过期时间戳作为分数。
    • 操作：
      • 添加限时优惠：ZADD timed_offers expire_timestamp offer_id
      • 定时扫描过期数据：ZRANGEBYSCORE timed_offers -inf current_timestamp
      • 移除已过期数据：ZREMRANGEBYSCORE timed_offers -inf current_timestamp

  4. 社交 feed 流：

    • 场景： 微博、朋友圈等社交应用中用户动态的展示。
    • 实现： 将动态 ID 作为成员，发布时间戳作为分数，每个用户的 feed 维护一个 ZSET。
    • 操作：
      • 用户发布新动态：ZADD user:123:feed timestamp dynamic_id
      • 获取用户最新动态：ZREVRANGE user:123:feed 0 9

  5. 地理位置索引（配合 GeoHash）：

    • 场景： 查找附近的人或地点。
    • 实现： Redis 的 Geo 命令底层就是基于 ZSET 实现的，它将地理位置信息（经纬度）通过 GeoHash 算法编码成一个整数，作为 ZSET 的分数，经纬度作为成员。
    • 操作： GEOADD、GEORADIUS 等命令。

四、总结

Redis 的有序集合 ZSET 是一个非常灵活和高效的数据结构，它巧妙地结合了哈希表和跳跃链表的优势，实现了成员的快速查找和按分数的高效排序。掌握 ZSET 的核心概念和命令，将有助于你在实际开发中设计出更加健壮、高性能的应用程序，尤其是在需要处理排行榜、时间序列数据和带有优先级的队列等场景。

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