Redis 7.x 系列【6】数据类型之字符串（String）

有道无术，术尚可求，有术无道，止于术。

本系列Redis 版本 7.2.5

源码地址：https://gitee.com/pearl-organization/study-redis-demo

文章目录

- 1. 前言
- 2. 常用命令
- - 2.1 SET
  - 2.2 GET
  - 2.3 MSET
  - 2.4 MGET
  - 2.5 GETSET
  - 2.6 STRLEN
  - 2.7 SETEX
  - 2.8 SETNX
  - 2.9 INCR
  - 2.10 DECR
- 3. SDS（简单动态字符串）
- - 3.1 二进制安全
  - 3.2 查询字符串长度效率高
  - 3.3 缓冲区溢出保护
  - 3.4 空间预分配
  - 3.5 惰性空间释放
- 4. 应用场景
- - 4.1 存储常规数据
  - 4.2 计数器
  - 4.3 分布式锁

1. 前言

在官方文档中，可以看到 Redis 支持很多种数据类型，以解决不同场景下的各种问题。接下来，会详细介绍 Redis 中的各种数据类型，主要是介绍一些常用的，包括：

String
List
Hash
Set
Sorted set（ZSet）
Bitmap
HyperLogLog
Geospatial
Stream

String字符串是编程语言里最常用的数据类型，使用双引号表示。

比如JAVA：

	String str="1234";

比如C语言：

    char str[] = "1234";

在 Redis 中， String 类型是最基本的数据类型，是二进制安全的，可以存储任意类型的数据，文本、数字、图片或者序列化的对象。
在这里插入图片描述

注意：Key的类型只能为字符串，Value的类型为字符串时，默认情况下的最大值是 512M 。

2. 常用命令

String 相关的所有命令：

命名	描述
APPEND	将 `value` 追加到 `key` 原来的值的末尾
DECR	将 `key` 中储存的数字值减一
DECRBY	将 `key` 所储存的值减去给定的减量值 ( `decrement` )
GET	设置指定 `key` 的值
GETDEL	获取 `key` 的值并删除该 `key`
GETEX	获取 `key` 的值，并可选择设置其过期时间
GETRANGE	返回 `key` 中字符串值的子字符
GETSET	将给定 `key` 的值设为 `value` ，并返回 `key` 的旧值
INCR	将 `key` 中储存的数字值增一
INCRBY	将 `key` 所储存的值加上给定的增量值 ( `increment` )
INCRBYFLOAT	将 `key` 所储存的值加上给定的浮点增量值 ( `increment` )
LCS	实现了最长公共子序列算法,可用于评估字符串的相似程度
MGET	获取所有(一个或多个)给定 `key` 的值
MSET	同时设置一个或多个 `key-value` 对
MSETNX	同时设置一个或多个 `key-value` 对
PSETEX	以毫秒为单位设置 `key` 的生存时间
SET	设置指定 `key` 的值
SETEX	设置 `key` 的值为 `value` 同时将过期时间设为 `seconds`
SETNX	只有在 `key` 不存在时设置 `key` 的值
SETRANGE	从偏移量 `offset` 开始用 `value` 覆写给定 `key` 所储存的字符串值
STRLEN	返回 `key` 所储存的字符串值的长度
SUBSTR	返回字符串值的子字符串，由偏移量开始和结束（两者都包含在内）决定

2.1 SET

用于给指定的 Key 设置字符串值，如果 Key 已经保存了一个值，那么这个操作会直接覆盖原来的值，并且忽略原始类型。当 SET 命令执行成功后，之前设置的过期时间都将失效。

示例：

127.0.0.1:6379> SET mykey "Hello World"
OK
127.0.0.1:6379> SET mykey "Hello World" EX 60
OK

2.2 GET

用于获取指定 Key 的字符串值，如果 Key 不存在，那么返回特殊值 nil，如果键 Key的值不是字符串类型，返回错误，因为 GET 命令只能用于字符串值。

示例：

127.0.0.1:6379> GET mykey
"Hello World"
127.0.0.1:6379> GET mykey_nil
(nil)

2.3 MSET

和 SET 命令一样，会用新值替换旧值， MSET 是原子操作，所有 Key 的值同时设置，客户端不会看到有些 Key 值被修改，而另一些 Key 值没变。总是返回 OK ，因为 MSET 不会失败。

基本语法：

MSET key1 value1 key2 value2 .. keyN valueN

示例：

127.0.0.1:6379> MSET key1 "Hello" key2 "World"
OK
127.0.0.1:6379> GET key1
"Hello"
127.0.0.1:6379> GET key2
"World"

2.4 MGET

用于获取所有给定 Key 的值，返回一个列表，值的类型是字符串，如果某个 Key 不存在或者值不是字符串，那么这个 Key 返回特殊值 nil 。

基本语法：

MGET KEY1 KEY2 .. KEYN

示例：

127.0.0.1:6379> MGET key1 key2 nonexisting
1) "Hello"
2) "World"
3) (nil)

2.5 GETSET

用于给指定的 Key 设置字符串值，并返回设置之前的旧值。如果 Key 没有旧值返回 nil，如果 Key 对应的值存在但不是字符串类型时，返回一个错误。

示例：

127.0.0.1:6379> SET mykey "Hello"
OK
127.0.0.1:6379> GETSET mykey "World"
"Hello"
127.0.0.1:6379> GET mykey
"World"

2.6 STRLEN

用于获取指定 Key 所储存的字符串值的长度，当储存的不是字符串类型时，返回错误。

基本语法：

STRLEN KEY_NAME

示例：

127.0.0.1:6379> SET mykey "Hello world"
OK
127.0.0.1:6379> STRLEN mykey
(integer) 11
127.0.0.1:6379> STRLEN mykey_nil
(integer) 0

2.7 SETEX

用于给指定的 Key 设置字符串值，并将 Key 的生存时间设置为多少秒。如果键 Key 已经存在，将覆盖已有的值。

基本语法：

SETEX key seconds value

示例：

127.0.0.1:6379> SETEX mykey 60 "Hello"
OK
127.0.0.1:6379> TTL mykey
(integer) 52
127.0.0.1:6379> GET mykey
"Hello"

2.8 SETNX

SETNX 是 SET if Not eXists 的缩写，在指定的 Key 不存在时，设置指定的值，这种情况下等同 SET 命令，当 Key 存在时，什么也不做。

返回值为整数：

1： Key 存在
0： Key 不存在

SETNX 命令是原子性的，常用于实现分布式锁，添加成功表示获取到锁，添加失败表示未获取到锁（后续详解介绍）。

示例：

redis> SETNX mykey "Hello"
(integer) 1
redis> SETNX mykey "World"
(integer) 0
redis> GET mykey
"Hello"

2.9 INCR

用于将指定的 Key 储存的数字值增一，如果 Key 不存在，那么值会先被初始化为 0 ，然后再执行 INCR 操作，返回值为执行操作之后 Key 的值。如果值包含错误的类型，或字符串类型的值不能表示为数字，将会返回一个错误 ERR ERR hash value is not an integer。

操作的值限制在 64 位（bit）有符号数字表示之内。本质上这是一个字符串操作，因为 Redis 没有专门的整数类型，储在 Key 中的字符串被转换为十进制有符号整数，在此基础上加 1 。常用于计数器、限流（后续详解介绍）。

基本语法：

 INCR KEY_NAME

示例：

127.0.0.1:6379> SET mykey "10"
"OK"
127.0.0.1:6379> INCR mykey
(integer) 11
127.0.0.1:6379>  GET mykey
"11"

2.10 DECR

用于将指定的 Key 储存的数字值减去一，如果 Key 不存在，那么值会先被初始化为 0 ，然后再执行 DECR 操作。如果值包含错误的类型，或字符串类型的值不能表示为数字，将会返回一个错误。操作的值限制在 64 位（bit）有符号数字表示之内，返回值为执行操作之后 Key 的值

基本语法：

 DECR KEY_NAME

示例：

127.0.0.1:6379> DECR mykey
(integer) 9
127.0.0.1:6379> SET mykey "234293482390480948029348230948"
"OK"
127.0.0.1:6379>DECR mykey
ERR ERR value is not an integer or out of range

3. SDS（简单动态字符串）

SDS 是 Simple Dynamic String 的首字母缩写，翻译为简单的动态字符串，是 Redis 自定义的一种表示字符串的特殊数据结构。相较于传统的C语言字符串，SDS 具有更多的功能和更高的性能，当前也会占用更多的内存。

Redis 3.2 之前的版本：

struct sdshdr {
    int len; // 记录buf数组中已使用字节的数量，即字符串的实际长度
    int free; // 存储剩余（空闲）的空间
    char buf[]; // 存储实际数据
};

Redis 3.2 之后的版本，SDS 变成了 5 种数据结构，不同类型的存储空间大小不一样：

/* Note: sdshdr5 is never used, we just access the flags byte directly.
 * However is here to document the layout of type 5 SDS strings. */
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr5 {
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, and 5 msb of string length */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len; // 已用空间的长度，占 4 个字节，不包括 ‘\0’；
    uint8_t alloc; // 实际分配长度，占 4 个字节，不包括 ‘\0’；
    unsigned char flags; // 标记当前 buf[] 类型（ sdshdr8/16/32/64）
    char buf[]; // 存储实际数据
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr16 {
    uint16_t len; /* used */
    uint16_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr32 {
    uint32_t len; /* used */
    uint32_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};
struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr64 {
    uint64_t len; /* used */
    uint64_t alloc; /* excluding the header and null terminator */
    unsigned char flags; /* 3 lsb of type, 5 unused bits */
    char buf[];
};

相比于C语言字符串，SDS 有以下优点：

二进制安全
查询字符串长度效率高
缓冲区溢出保护
空间预分配
惰性空间释放

3.1 二进制安全

在 C 语言中，用字符 \0 表示字符串的结束，如果字符串中本身就有 \0 字符，字符串就会被截断，即非二进制安全，例如 hello \0 world 会被截断解析为 hello。

SDS 不受 \0 字符影响，能够准确存储任意二进制数据，因为它基于 len 属性而非遇到 \0 来判断字符串的结束位置。

3.2 查询字符串长度效率高

在 C 语言中，获取一个字符串长度时，需对整个字符串进行遍历，直至遇到结束符号。在高并发场景下频繁遍历字符串，势必会造成性能瓶颈。

SDS 中于 len 属性记录了字符串的长度，可以直接通过 STRLEN 命令获取长度即可。

3.3 缓冲区溢出保护

在 C 语言中，字符串本身不记录可用空间大小，在进行字符串拼接等操作时，如果没有检查就可能会导致缓冲区溢出。

SDS 中于 free 属性记录了额外未使用的空间大小，每次进行字符串操作前都会检查剩余空间是否足够，不足时会自动扩容，有效避免了缓冲区溢出问题。

3.4 空间预分配

在 C 语言中，每次修改字符串长度（增加或减少）时，通常需要重新分配内存，这可能导致频繁的内存操作。

SDS 优化了字符串增长操作，当修改字符串并需对 SDS 的空间进行扩展时，不仅会为 SDS分配修改所必要的空间，还会分配额外的未使用空间（free属性），下次再修改就先检查未使用空间free是否满足，满足则不用在扩展空间。有效的减少字符串连续增长操作，减少所产生的内存重分配次数。

3.5 惰性空间释放

惰性空间释放策略则用于优化 SDS 字符串缩短操作，当缩短 SDS 字符串后，并不会立即执行内存重分配来回收多余的空间，而是用 free 属性将这些空间记录下来，如果后续有增长操作，则可直接使用。

4. 应用场景

4.1 存储常规数据

String 可以存储任意类型的数据，文本、数字、图片或者序列化的对象。

常用实际场景：

图形、短信验证码
令牌

例如，存储短信验证码并设置过期时间为 60 秒：

localhost:0>SET 13688889999 80906 EX 60
"OK"
localhost:0>GET 13688889999
"80906"

4.2 计数器

INCR 用于将指定的 Key 储存的数字值增一， DECR 用于将指定的 Key 储存的数字值减去一。

常用实际场景：

阅读数
点赞
分布式ID
网站访问量
记录接口访问次数，实现防止重复提交、简单限流

例如，使用 INCR 记录网站每日访问量：

localhost:0>SET web_views:20240617 0
"OK"
localhost:0>INCR web_views:20240617
"1"
localhost:0>GET web_views:20240617
"1"

4.3 分布式锁

SETNX 命令是原子性的，常用于实现分布式锁，添加成功表示获取到锁，添加失败表示未获取到锁（后续详解介绍）。

例如，执行 SETNX 添加锁，返回 1 表示成功获取到锁：

localhost:0>SETNX my_lock yes
"1"

其他线程执行SETNX，返回 0 表示获取锁失败：

localhost:0>SETNX my_lock yes
"0"

执行完成后，删除锁，其他线程再次获取则成功：

localhost:0>DEL my_lock
"1"
localhost:0>SETNX my_lock yes
"1"