聊聊redis中的有序集合

news2025/1/21 0:53:13

写在文章开头

有序集合(sorted set)是redis中比较常见的数据库结构，它不仅支持O(logN)界别的有序的范围查询，同时也支持O(1)级别的单元素查询，基于此问题，本文就将从redis源码的角度分析一下有序集合的设计与实现。

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Hi，我是 sharkChili ，是个不断在硬核技术上作死的 java coder ，是 CSDN的博客专家 ，也是开源项目 Java Guide 的维护者之一，熟悉 Java 也会一点 Go ，偶尔也会在 C源码 边缘徘徊。写过很多有意思的技术博客，也还在研究并输出技术的路上，希望我的文章对你有帮助，非常欢迎你关注我的公众号： 写代码的SharkChili 。

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详解redis中的有序集合

基本结构介绍

有序集合的实现可以说是集大成于一身，它之所以支持单元素查询和范围查询，是字典(dict)和跳表(skipList)的组合结果，它将带有权重的元素指针分别交给字典和跳表进行管理。

关于跳表的介绍，笔者之前也写过一篇关于跳表的设计与实现思路的文章，感兴趣的可以移步JavaGuide官网:

Redis为什么用跳表实现有序集合

当我们需要通过元素名称定位其权重时，我们可以通过哈希算法到字典中定位到对应的元素，以下图为例，若我们希望定位到apple这个元素的权重时，可以直接计算apple的哈希值结合哈希算法即可实现O(1)级别的元素定位。

当我们希望进行范围查询时，很明显哈希表算法的无序性很难快速做到这一点，对应的我们可以直接通过跳表的索引快速定位到指定范围，以下图为例，假设我们希望查询权重在20到30之间的元素，对应的跳表的查询路径为:

  1. apple节点的2级索引。
  2. apple节点的1级索引。
  3. 通过banana的2级索引锁定范围。

这种通过多级索引的方式使得跳表范围查询的时间复杂度为O(logN)级别非常之高效。

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关于有序集合的源码定义，因为该数据结构是组合而非自实现，所以其定义在redis.h这个头文件中：

typedef struct zset {
	//字典
    dict *dict;
    //跳表
    zskiplist *zsl;
} zset;

有序集合的初始化和保存操作

假设我们键入如下指令插入一个权重为1的元素:

ZADD runoobkey 1 dskadjksldksdjsdjskdjksldklsdjlksdjklsadjksladjklsdjksldjksladjskaldjskdjsalkdlksadksdklsadjklsadklsaddkslkadsakdjdlkjsdlkjdlkadjlksadjklsajlksjdjsakldjksadjklsdjlsakdjlsadadasdjsakdljskaldjlksdjlksdjlksajdklsdjksladjklsadjklsajdlksadjlksajdksajdskldjaslkdjsalkdjslkajdskadjlksadjksladjklsadskadjlskajdksajdksaldjksldjkldjsalkdjklsadjlksajdlkadjksajdksladjksladjsdjslakdjlksadjsakldjlksajdlksajdlksajdlksajdlksajdlksajdsladjladskdjlsakjdlksajdlkajdlsakdj

redis服务端收并解出zadd命令后就会调用zaddGenericCommand初始化字典和跳表，再进行元素的保存操作，对应的源码如下，这里笔者省去了有序集合为压缩列表时元素维护的逻辑，可以看到当插入的元素值的长度若大于64字节，则创建的有序集合是由跳表和字典构成。
完成初始化之后，无论是更新还是插入操作，有序集合都会基于该元素的指针将其分别维护到跳表和字典中:

void zaddGenericCommand(redisClient *c, int incr) {
   	//......
   	//判断有序集合是否存在
    zobj = lookupKeyWrite(c->db,key);
    //若为空则当前元素长度大于zset_max_ziplist_value(默认为64)则创建上文所说的有序集合
    if (zobj == NULL) {
        if (server.zset_max_ziplist_entries == 0 ||
            server.zset_max_ziplist_value < sdslen(c->argv[3]->ptr))
        {
        	//创建通过字典和跳表组合实现的有序集合
            zobj = createZsetObject();
        } else {
            zobj = createZsetZiplistObject();
        }
        //将有序集合存入键值对中
        dbAdd(c->db,key,zobj);
    } else {
       //......
    }
	
	//
    for (j = 0; j < elements; j++) {
        score = scores[j];
		//有序集合为压缩列表的逻辑
        if (zobj->encoding == REDIS_ENCODING_ZIPLIST) {
           //......
        } else if (zobj->encoding == REDIS_ENCODING_SKIPLIST) {
            zset *zs = zobj->ptr;
            zskiplistNode *znode;
            dictEntry *de;

            ele = c->argv[3+j*2] = tryObjectEncoding(c->argv[3+j*2]);
            //到哈希表中定位元素并完成保存或者更新操作
            de = dictFind(zs->dict,ele);
            if (de != NULL) {
               //更新操作
            } else {
            	//插入操作，先将其元素插入到跳表
                znode = zslInsert(zs->zsl,score,ele);
               	//......
                //再将元素的指针同时维护到字典中
                redisAssertWithInfo(c,NULL,dictAdd(zs->dict,ele,&znode->score) == DICT_OK);
              	//......
            }
        } else {
            redisPanic("Unknown sorted set encoding");
        }
    }
  //......
}

利用字典完成单值查询

有了这样一个组合的数据结构，不同的查询操作就变得非常方便，例如我们使用Zrank 查询对应有序集合zset的element-1的权重：

 Zrank  zsets element-1

redis解析该字符串后走到zrankCommand方法，其内部调用zrankGenericCommand，直接通过当前传入的元素的名称到字典中快速定位元素权重并返回:

void zrankCommand(redisClient *c) {
	//调用zrankGenericCommand完成O(1)级别的查询
    zrankGenericCommand(c, 0);
}


void zrankGenericCommand(redisClient *c, int reverse) {
	//获取参数中的key和要查询的元素
    robj *key = c->argv[1];
    robj *ele = c->argv[2];
    robj *zobj;
    unsigned long llen;
    unsigned long rank;

   //......

    redisAssertWithInfo(c,ele,sdsEncodedObject(ele));
	//有序集合为跳表的逻辑，不重要所以直接跳过
    if (zobj->encoding == REDIS_ENCODING_ZIPLIST) {
        //......
    } else if (zobj->encoding == REDIS_ENCODING_SKIPLIST) {
	    //......
	    //通过有序集合的字典快速定位元素并返回
        de = dictFind(zs->dict,ele);
        if (de != NULL) {
            //获取score
            score = *(double*)dictGetVal(de);
            //从跳表中获得对应等级
            rank = zslGetRank(zsl,score,ele);
           //......
           //将结果写出去
            if (reverse)
                addReplyLongLong(c,llen-rank);
            else
                addReplyLongLong(c,rank-1);
        } else {
            addReply(c,shared.nullbulk);
        }
    } else {
        redisPanic("Unknown sorted set encoding");
    }
}

利用跳表完成范围查询

对应的假如我们通过ZRANGE 指令查询索引2到3范围以内的元素：

ZRANGE zsets 2 3 WITHSCORES

该操作对应有序集合中时，会算得我们要获取的是第3、4个元素，此时有序集合就会通过跳表完成这一查询，如下图所示，我们以红色标识为路径即可知晓，因为多级索引的存在，范围查询过程为:

  1. 由2 3算的我们要查询的长度为(3-2)+1即2个元素。
  2. 头节点apple的3级索引，其span为2代表跨越两个节点，加上自己本身相当于跨了3个节点定位到了目标元素的起始位置。
  3. 因为我们的查询长度为2，所以orange元素的指针向后1步即可拿到所有元素。
  4. 自此我们拿到元素orange和pear，并将score一并写出。

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对应的命令就会走到t_zset.c的zrangeCommand的逻辑，可以看到其内部本质就是对zrangeGenericCommand的调用，这其中0表示按照升序查询:

void zrangeCommand(redisClient *c) {
	//调用zrangeGenericCommand到跳表获取范围结果
    zrangeGenericCommand(c,0);
}

我们继续步入这段逻辑即可看到跳表整体逻辑，先计算索引的查询范围，然后继续该范围通过跳表定位到第一个符合要求的元素，再基于该元素的指针继续往后查询：

void zrangeGenericCommand(redisClient *c, int reverse) {
    robj *key = c->argv[1];
    robj *zobj;
    int withscores = 0;
    long start;
    long end;
    int llen;
    int rangelen;

   //......

	//根据传入的范围计算本次范围查询的长度rangelen 
    llen = zsetLength(zobj);
    //边界判断
    if (start < 0) start = llen+start;
    if (end < 0) end = llen+end;
    if (start < 0) start = 0;

   //......
    if (end >= llen) end = llen-1;
    //计算查询范围
    rangelen = (end-start)+1;

    //......
    if (zobj->encoding == REDIS_ENCODING_ZIPLIST) {
      //......

    } else if (zobj->encoding == REDIS_ENCODING_SKIPLIST) {//跳表的逻辑
    
        zset *zs = zobj->ptr;
        zskiplist *zsl = zs->zsl;
        zskiplistNode *ln;
        robj *ele;

       
        if (reverse) {//倒叙查找元素
            ln = zsl->tail;
            if (start > 0)
                ln = zslGetElementByRank(zsl,llen-start);
        } else {
        	//升序查询第一个符合要求的元素
            ln = zsl->header->level[0].forward;
            if (start > 0)
                ln = zslGetElementByRank(zsl,start+1);
        }
		//根据范围长度rangelen通过ln的next指针开始不断遍历截取对应个数的元素
        while(rangelen--) {
            redisAssertWithInfo(c,zobj,ln != NULL);
            ele = ln->obj;
            addReplyBulk(c,ele);
            if (withscores)
                addReplyDouble(c,ln->score);
             //基于最底层的叶子节点的forward前进获取后续的元素
            ln = reverse ? ln->backward : ln->level[0].forward;
        }
    } else {
        redisPanic("Unknown sorted set encoding");
    }
}

这里我们重点查看zslGetElementByRank，该函数会传入要查询的第一个元素的编号rank(该值为索引号+1)，和我们图解的逻辑基本一致，从跳表首元素的索引开始累加查看span是否等于rank，一旦等于rank就说明当前节点就是我们的要查询范围的第一个元素，有序集合就会将该元素的指针返回:

zskiplistNode* zslGetElementByRank(zskiplist *zsl, unsigned long rank) {
    zskiplistNode *x;
    unsigned long traversed = 0;
    int i;

    x = zsl->header;
    //从最高级别的索引开始遍历
    for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
    	//查看当前元素是否还有前驱节点且当亲累加结果是否小于rank，若都符合要求则说明当前还没到到达要查询的第一个元素的位置，进入该循环，不断向前或者向下跨span
        while (x->level[i].forward && (traversed + x->level[i].span) <= rank)
        {
            traversed += x->level[i].span;
            x = x->level[i].forward;
        }
        //经过的节点长度traversed 等于第一个元素的编号rank时将该指针返回
        if (traversed == rank) {
            return x;
        }
    }
    return NULL;
}

小结

自此我们就将redis中有序集合的最核心的思想和设计都分析完成了，希望对你有帮助。

我是 sharkchili ，CSDN Java 领域博客专家，开源项目—JavaGuide contributor，我想写一些有意思的东西，希望对你有帮助，如果你想实时收到我写的硬核的文章也欢迎你关注我的公众号： 写代码的SharkChili 。
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参考

《redis设计与实现》

Redis 有序集合(sorted set):https://www.runoob.com/redis/redis-sorted-sets.html

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