【Redis】字符串数据类型深入解析与应用实践

String 字符串

字符串类型是 Redis 最基础的数据类型，关于字符串需要特别注意：1）⾸先 Redis 中所有的键的类型都是字符串类型，⽽且其他⼏种数据结构也都是在字符串类似基础上构建的，例如列表和集合的元素类型是字符串类型，所以字符串类型能为其他 4 种数据结构的学习奠定基础。2）其次，如图 2-7所⽰，字符串类型的值实际可以是字符串，包含⼀般格式的字符串或者类似 JSON、XML 格式的字符串；数字，可以是整型或者浮点型；甚⾄是⼆进制流数据，例如图⽚、⾳频、视频等。不过⼀个字符串的最⼤值不能超过 512 MB。

由于 Redis 内部存储字符串完全是按照⼆进制流的形式保存的，所以 Redis 是不处理字符集编码问题的，客⼾端传⼊的命令中使⽤的是什么字符集编码，就存储什么字符集编码（不会做任何的编码转换）。可以存储文本数据、整数、普通的文本字符串、JSON、xml、二进制数据（图片、视频、音频……），但对于音频视频这种太大了，存储起来有可能阻塞了

图 2-7 字符串数据类型

常⻅命令

SET

set

将 string 类型的 value 设置到 key 中。如果 key 之前存在，则覆盖，⽆论原来的数据类型是什么。之前关于此 key 的 TTL 也全部失效。

语法：

SET key value [expiration EX seconds|PX milliseconds] [NX|XX]

命令有效版本：1.0.0 之后

时间复杂度：O(1)

选项：

SET 命令⽀持多种选项来影响它的⾏为：

EX seconds⸺使⽤秒作为单位设置 key 的过期时间。
PX milliseconds⸺使⽤毫秒作为单位设置 key 的过期时间。
NX ⸺只在 key 不存在时才进⾏设置，即如果 key 之前已经存在，设置不执⾏。
XX ⸺只在 key 存在时才进⾏设置，即如果 key 之前不存在，设置不执⾏。

注意：由于带选项的 SET 命令可以被 SETNX 、 SETEX 、 PSETEX 等命令代替，所以之后的版本中，Redis 可能进⾏合并。

返回值：

如果设置成功，返回 OK。
如果由于 SET 指定了 NX 或者 XX 但条件不满⾜，SET 不会执⾏，并返回 (nil)。

⽰例：

 redis> EXISTS mykey
 (integer) 0
 redis> SET mykey "Hello"
 OK
 redis> GET mykey
 "Hello"
 redis> SET mykey "World" NX
 (nil)
 redis> DEL mykey
 (integer) 1
 redis> EXISTS mykey
 (integer) 0
 redis> SET mykey "World" XX
 (nil)
 redis> GET mykey
 (nil)
 redis> SET mykey "World" NX
 OK
 redis> GET mykey
 "World"
 redis> SET mykey "Will expire in 10s" EX 10
 OK
 redis> GET mykey
 "Will expire in 10s"
 redis> GET mykey # 10秒之后
 (nil)

GET

get

获取 key 对应的 value。如果 key 不存在，返回 nil。如果 value 的数据类型不是 string，会报错。

语法：

GET key

命令有效版本：1.0.0 之后

时间复杂度：O(1)

返回值：key 对应的 value，或者 nil 当 key 不存在。

⽰例：

 redis> GET nonexisting
 (nil)
 redis> SET mykey "Hello"
 "OK"
 redis> GET mykey
 "Hello"
 redis> DEL mykey
 (integer) 1
 redis> EXISTS mykey
 (integer) 0
 redis> HSET mykey name Bob
 (integer) 1
 redis> GET mykey
 (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value

MGET

mget

⼀次性获取多个 key 的值。如果对应的 key 不存在或者对应的数据类型不是 string，返回 nil。

语法：

MGET key [key ...]

命令有效版本：1.0.0 之后

时间复杂度：O(N) N 是命令中 key 的数量，也可以认为是 O(1)

返回值：对应 value 的列表

⽰例：

 redis> SET key1 "Hello"
 "OK"
 redis> SET key2 "World"
 "OK"
 redis> MGET key1 key2 nonexisting
 1) "Hello"
 2) "World"
 3) (nil)

MSET

mset

⼀次性设置多个 key 的值。

语法：

MSET key value [key value ...]

命令有效版本：1.0.1 之后

时间复杂度：O(N) N 是命令中 key 的数量，也可以认为是 O(1)

返回值：永远是 OK

⽰例：

 redis> MSET key1 "Hello" key2 "World"
 "OK"
 redis> GET key1
 "Hello"
 redis> GET key2
 "World"

图 2-8 多次 get vs 单次 mget

如图 2-8 所⽰，使⽤ mget / mset 由于可以有效地减少了⽹络时间，所以性能相较更⾼。假设⽹络耗时 1 毫秒，命令执⾏时间耗时 0.1 毫秒，则执⾏时间如表 2-2 所⽰。

表 2-2 1000 次 get 和 1 次 mget 对⽐

操作	时间
1000 次 get	1000 x 1 + 1000 x 0.1 = 1100 毫秒
1 次 mget 1000 个键	1 x 1 + 1000 x 0.1 = 101 毫秒

学会使⽤批量操作，可以有效提⾼业务处理效率，但是要注意，每次批量操作所发送的键的数量也不是⽆节制的，否则可能造成单⼀命令执⾏时间过⻓，导致 Redis 阻塞。

SETNX

setnx

设置 key-value 但只允许在 key 之前不存在的情况下。

语法：

SETNX key value

命令有效版本：1.0.0 之后

时间复杂度：O(1)

返回值：1 表⽰设置成功。0 表⽰没有设置。

⽰例：

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

SET、SET NX 和 SET XX 的执⾏流程如图 2-9 所⽰。

图 2-9 SET、SET NX、SET XX 执⾏流程

计数命令

INCR

incr

将 key 对应的 string 表⽰的数字加⼀。如果 key 不存在，则视为 key 对应的 value 是 0。如果 key 对应的 string 不是⼀个整型或者范围超过了 64 位有符号整型，则报错。

语法：

INCR key

命令有效版本：1.0.0 之后

时间复杂度：O(1)

返回值：integer 类型的加完后的数值。

⽰例：

 redis> EXISTS mykey
 (integer) 0
 redis> INCR mykey
 (integer) 1
 redis> SET mykey "10"
 "OK"
 redis> INCR mykey
 (integer) 11
 redis> SET mykey "234293482390480948029348230948"
 "OK"
 redis> INCR mykey
 (error) value is not an integer or out of range
 redis> SET mykey 'not a number'
 "OK"
 redis> INCR mykey
 (error) value is not an integer or out of range

INCRBY

incrby

将 key 对应的 string 表⽰的数字加上对应的值。如果 key 不存在，则视为 key 对应的 value 是 0。如果 key 对应的 string 不是⼀个整型或者范围超过了 64 位有符号整型，则报错。

语法：

INCRBY key decrement

命令有效版本：1.0.0 之后

时间复杂度：O(1)

返回值：integer 类型的加完后的数值。

⽰例：

 redis> EXISTS mykey
 (integer) 0
 redis> INCRBY mykey 3
 (integer) 3
 redis> SET mykey "10"
 "OK"
 redis> INCRBY mykey 3
 (integer) 13
 redis> INCRBY mykey "not a number"
 (error) ERR value is not an integer or out of range
 redis> SET mykey "234293482390480948029348230948"
 "OK"
 redis> INCRBY mykey 3
 (error) value is not an integer or out of range
 redis> SET mykey 'not a number'
 "OK"
 redis> INCRBY mykey 3
 (error) value is not an integer or out of range

DECR

decr

将 key 对应的 string 表⽰的数字减⼀。如果 key 不存在，则视为 key 对应的 value 是 0。如果 key 对应的 string 不是⼀个整型或者范围超过了 64 位有符号整型，则报错。

语法：

DECR key

命令有效版本：1.0.0 之后

时间复杂度：O(1)

返回值：integer 类型的减完后的数值。

⽰例：

 redis> EXISTS mykey
 (integer) 0
 redis> DECR mykey
 (integer) -1
 redis> SET mykey "10"
 "OK"
 redis> DECR mykey
 (integer) 9
 redis> SET mykey "234293482390480948029348230948"
 "OK"
 redis> DECR mykey
 (error) value is not an integer or out of range
 redis> SET mykey 'not a number'
 "OK"
 redis> DECR mykey
 (error) value is not an integer or out of range

DECRBY

decrby

将 key 对应的 string 表⽰的数字减去对应的值。如果 key 不存在，则视为 key 对应的 value 是 0。如果 key 对应的 string 不是⼀个整型或者范围超过了 64 位有符号整型，则报错。

语法：

DECRBY key decrement

命令有效版本：1.0.0 之后

时间复杂度：O(1)

返回值：integer 类型的减完后的数值。

⽰例：

 redis> EXISTS mykey
 (integer) 0
 redis> DECRBY mykey 3
 (integer) -3 
 redis> SET mykey "10"
 "OK"
 redis> DECRBY mykey 3
 (integer) 7
 redis> DECRBY mykey "not a number"
 (error) ERR value is not an integer or out of range
 redis> SET mykey "234293482390480948029348230948"
 "OK"
 redis> DECRBY mykey 3
 (error) value is not an integer or out of range
 redis> SET mykey 'not a number'
 "OK"
 redis> DECRBY mykey 3
 (error) value is not an integer or out of range

INCRBYFLOAT

incrbyfloat

将 key 对应的 string 表⽰的浮点数加上对应的值。如果对应的值是负数，则视为减去对应的值。如果key 不存在，则视为 key 对应的 value 是 0。如果 key 对应的不是 string，或者不是⼀个浮点数，则报错。允许采⽤科学计数法表⽰浮点数。

语法：

INCRBYFLOAT key increment

命令有效版本：2.6.0 之后

时间复杂度：O(1)

返回值：加/减完后的数值。

⽰例：

 redis> SET mykey 10.50
 "OK"
 redis> INCRBYFLOAT mykey 0.1
 "10.6"
 redis> INCRBYFLOAT mykey -5
 "5.6"
 redis> SET mykey 5.0e3
 "OK"
 redis> INCRBYFLOAT mykey 2.0e2
 "5200"

很多存储系统和编程语⾔内部使⽤ CAS 机制实现计数功能，会有⼀定的 CPU 开销，但在 Redis 中完全不存在这个问题，因为 Redis 是单线程架构，任何命令到了 Redis 服务端都要顺序执⾏。

其他命令

APPEND

append

如果 key 已经存在并且是⼀个 string，命令会将 value 追加到原有 string 的后边。如果 key 不存在，则效果等同于 SET 命令。

语法：

APPEND KEY VALUE

命令有效版本：2.0.0 之后

时间复杂度：O(1). 追加的字符串⼀般⻓度较短, 可以视为 O(1).

返回值：追加完成之后 string 的⻓度（单位是字节）。

在启动 Redis 客户端的时候，加上一个 --raw，就可以使 Redis 客户端能够自动把二进制数据尝试翻译

⽰例：

 redis> EXISTS mykey
 (integer) 0
 redis> APPEND mykey "Hello"
 (integer) 5
 redis> GET mykey
 "Hello"
 redis> APPEND mykey " World"
 (integer) 11
 redis> GET mykey
 "Hello World"

GETRANGE

getrange

返回 key 对应的 string 的⼦串，由 start 和 end 确定（左闭右闭）。可以使⽤负数表⽰倒数。-1 代表倒数第⼀个字符，-2 代表倒数第⼆个，其他的与此类似。超过范围的偏移量会根据 string 的⻓度调整成正确的值。

如果字符串中保存的是汉字，此时进行子串切分，很可能切出来的就不是完整的汉字了

语法：

GETRANGE key start end

命令有效版本：2.4.0 之后

时间复杂度：O(N). N 为 [start, end] 区间的⻓度. 由于 string 通常⽐较短, 可以视为是 O(1)

返回值：string 类型的⼦串

⽰例：

 redis> SET mykey "This is a string"
 "OK"
 redis> GETRANGE mykey 0 3
 "This"
 redis> GETRANGE mykey -3 -1
 "ing"
 redis> GETRANGE mykey 0 -1
 "This is a string"
 redis> GETRANGE mykey 10 100
 "string"

SETRANGE

setrange

覆盖字符串的⼀部分，从指定的偏移开始（从第几个字节开始，开始进行替换，因为是字节，如果 value 是中文很可能出问题的）。

语法：

SETRANGE key offset value

命令有效版本：2.2.0 之后

时间复杂度：O(N), N 为 value 的⻓度. 由于⼀般给的 value ⽐较短, 通常视为 O(1).

返回值：替换后的 string 的⻓度。

⽰例：

 redis> SET key1 "Hello World"
 "OK"
 redis> SETRANGE key1 6 "Redis"
 (integer) 11
 redis> GET key1
 "Hello Redis"

STRLEN

strlen

获取 key 对应的 string 的⻓度（单位是字节）。当 key 存放的类型不是 string 时，报错。

Java 中的 char 是用 unicode，一个汉字是 2 个字节，String 是用 utf8，一个汉字是 3 字节

语法：

STRLEN key

命令有效版本：2.2.0 之后

时间复杂度：O(1)

返回值：string 的⻓度。或者当 key 不存在时，返回 0。

⽰例：

redis> SET mykey "Hello world"
"OK"
redis> STRLEN mykey
(integer) 11
redis> STRLEN nonexisting
(integer) 0

命令⼩结

表 2-3 是字符串类型命令的效果、时间复杂度，开发⼈员可以参考此表，结合⾃⾝业务需求和数据⼤⼩选择合适的命令。

表 2-3 字符串类型命令⼩结

命令	执⾏效果	时间复杂度
set key value [key value…]	设置 key 的值是 value	O(k), k 是键个数
get key	获取 key 的值	O(1)
del key [key …]	删除指定的 key	O(k), k 是键个数
mset key value [key value…]	批量设置指定的 key 和 value	O(k), k 是键个数
mget key [key …]	批量获取 key 的值	O(k), k 是键个数
incr key	指定的 key 的值 +1	O(1)
decr key	指定的 key 的值 -1	O(1)
incrby key n	指定的 key 的值 +n	O(1)
decrby key n	指定的 key 的值 -n	O(1)
incrbyfloat key n	指定的 key 的值 +n	O(1)
append key value	指定的 key 的值追加 value	O(1)
strlen key	获取指定 key 的值的⻓度	O(1)
setrange key offset value	覆盖指定 key 的从 offset 开始的部分值	O(n)，n 是字符串⻓度, 通常视为 O(1)
getrange key start end	获取指定 key 的从 start 到 end 的部分值	O(n)，n 是字符串⻓度, 通常视为 O(1)

内部编码

字符串类型的内部编码有 3 种：

int：8 个字节的⻓整型。
embstr：⼩于等于 39 个字节的字符串。（如果是一个浮点数，则是一个字符串）
raw：⼤于 39 个字节的字符串。

为什么是39？

如果实际业务场景有很多个 key，都是 string，每个 value 的长度都是 100 左右，关注与整体的内存空间，这样的字符串用 embstr 存储也不是不能考虑。

如果实现？

先看 Redis 是否提供了对应的配置项，可以修改这个数字
如果没有，就针对 Redis 源码进行修改

Redis 会根据当前值的类型和⻓度动态决定使⽤哪种内部编码实现。

Redis 存储小数本质上还是当做字符串来存储的
# 小数
127.0.0.1:6379> set key 1.5
OK
127.0.0.1:6379> object encoding key
"embstr"

整型类型⽰例如下：

 127.0.0.1:6379> set key 6379
 OK
 127.0.0.1:6379> object encoding key
 "int"

短字符串⽰例如下：

 # ⼩于等于 39 个字节的字符串
 127.0.0.1:6379> set key "hello"
 OK
 127.0.0.1:6379> object encoding key
 "embstr"

⻓字符串⽰例如下：

 # ⼤于 39 个字节的字符串
 127.0.0.1:6379> set key "one string greater than 39 bytes ........"
 OK
 127.0.0.1:6379> object encoding key
 "raw"

典型使⽤场景

缓存（Cache）功能

图 2-10 是⽐较典型的缓存使⽤场景，其中 Redis 作为缓冲层，MySQL 作为存储层，绝⼤部分请求的数据都是从 Redis 中获取。由于 Redis 具有⽀撑⾼并发的特性，所以缓存通常能起到加速读写和降低后端压力的作⽤。

这个策略，随着时间的推移，一定有越来越多的 key 在 Redis 上访问不到，从而从 MySQL 中读取并写入 Redis 了，此时 Redis 的数据是不是就积累得越来越多了？

把数据写给 Redis 的同时，根据实际情况分析给 key 设置一个过期时间
Redis 在内存不足的时候，提供了淘汰机制

图 2-10 Redis + MySQL 组成的缓存存储架构

下⾯的伪代码模拟了图 2-10 的业务数据访问过程：

假设业务是根据⽤⼾ uid 获取⽤⼾信息

UserInfo getUserInfo(long uid) {
 ...
}

⾸先从 Redis 获取⽤⼾信息，我们假设⽤⼾信息保存在 “user:info:” 对应的键中：

这里的 key 一般都需要搭配一些前缀来区分不同种类的数据，比如这里是 user:info

 // 根据 uid 得到 Redis 的键
 String key = "user:info:" + uid;
 
 // 尝试从 Redis 中获取对应的值
 String value = Redis 执⾏命令：get key;

 // 如果缓存命中（hit）
 if (value != null) {
 // 假设我们的⽤⼾信息按照 JSON 格式存储
 	UserInfo userInfo = JSON 反序列化(value);
 	return userInfo;
 }

如果没有从 Redis 中得到⽤⼾信息，及缓存 miss，则进⼀步从 MySQL 中获取对应的信息，随后写⼊缓存并返回：

 // 如果缓存未命中（miss）
 if (value == null) {
 	// 从数据库中，根据 uid 获取⽤⼾信息
 	UserInfo userInfo = MySQL 执⾏ SQL：select * from user_info where uid = <uid>
 
 	// 如果表中没有 uid 对应的⽤⼾信息
 	if (userInfo == null) {
 		响应 404
 		return null;
 	}
 
 	// 将⽤⼾信息序列化成 JSON 格式
 	String value = JSON 序列化(userInfo);
 
 	// 写⼊缓存，为了防⽌数据腐烂（rot），设置过期时间为 1 ⼩时（3600 秒）
 	Redis 执⾏命令：set key value ex 3600
 
 	// 返回⽤⼾信息
 	return userInfo;
 }

通过增加缓存功能，在理想情况下，每个⽤⼾信息，⼀个⼩时期间只会有⼀次 MySQL 查询，极⼤地提升了查询效率，也降低了 MySQL 的访问数。

与 MySQL 等关系型数据库不同的是，Redis 没有表、字段这种命名空间，⽽且也没有对键名有强制要求（除了不能使⽤⼀些特殊字符）。但设计合理的键名，有利于防⽌键冲突和项⽬的可维护性，⽐较推荐的⽅式是使⽤ “业务名:对象名:唯⼀标识:属性” 作为键名。例如 MySQL 的数据库名为 vs，⽤⼾表名为 user_info，那么对应的键可以使⽤"vs:user_info:6379"、“vs:user_info:6379:name” 来表⽰，如果当前 Redis 只会被⼀个业务使⽤可以省略业务名 “vs:”。如果键名过程则可以使⽤团队内部都认同的缩写替代例如 “user:6379:friends:messages:5217” 可以被 “u:6379:fr:m:5217” 代替。毕竟键名过⻓，还是会导致 Redis 的性能明显下降的。

计数（Counter）功能

许多应⽤都会使⽤ Redis 作为计数的基础⼯具，它可以实现快速计数、查询缓存的功能，同时数据可以异步处理或者落地到其他数据源。如图 2-11 所⽰，例如视频⽹站的视频播放次数可以使⽤ Redis 来完成：⽤⼾每播放⼀次视频，相应的视频播放数就会⾃增 1。

不过其实 Redis 并不擅长数据统计，基于 Redis 实现是很麻烦的，图里 Redis 只是计数，要想更好得统计，还是要把数据存储到统计数据仓库，让别的功能实现

图 2-11 记录视频播放次数

// 在 Redis 中统计某视频的播放次数
long incrVideoCounter(long vid) {
 key = "video:" + vid;
 long count = Redis 执⾏命令：incr key
 return counter;
}

实际中要开发⼀个成熟、稳定的真实计数系统，要⾯临的挑战远不⽌如此简单：防作弊、按照不同维度计数、避免单点问题、数据持久化到底层数据源等。

共享会话（Session）

如图 2-12 所⽰，⼀个分布式 Web 服务将⽤⼾的 Session 信息（例如⽤⼾登录信息）保存在各自的服务器中，但这样会造成⼀个问题：出于负载均衡的考虑，分布式服务会将⽤⼾的访问请求均衡到不同的服务器上，并且通常⽆法保证⽤⼾每次请求都会被均衡到同⼀台服务器上，这样当⽤⼾刷新⼀次访问是可能会发现需要重新登录，这个问题是⽤⼾⽆法容忍的。

Cookie 是浏览器存储数据的机制，Session 是服务器存储数据的机制

如果每个应用服务器维护自己的会话数据，但彼此直接不共享，用户请求访问到不同的服务器上，就可能出现不能正确处理的情况

图 2-12 Session 分散存储

为了解决这个问题，可以使⽤ Redis 将用户的 Session 信息进⾏集中管理，如图 2-13 所⽰，在这种模式下，只要保证 Redis 是⾼可⽤和可扩展性的，⽆论⽤⼾被均衡到哪台 Web 服务器上，都集中从 Redis 中查询、更新 Session 信息。

图 2-13 Redis 集中管理 Session

手机验证码

很多应⽤出于安全考虑，会在每次进⾏登录时，让⽤⼾输⼊⼿机号并且配合给⼿机发送验证码，然后让⽤⼾再次输⼊收到的验证码并进⾏验证，从⽽确定是否是⽤⼾本⼈。为了短信接口不会频繁访问，会限制用户每分钟获取验证码的频率，例如⼀分钟不能超过 5 次，如图 2-14 所⽰。

图 2-14 短信验证码

此功能可以⽤以下伪代码说明基本实现思路：

String 发送验证码(phoneNumber) {
    key = "shortMsg:limit:" + phoneNumber;
    // 设置过期时间为 1 分钟（60 秒）
    // 使⽤ NX，只在不存在 key 时才能设置成功
    bool r = Redis 执⾏命令：set key 1 ex 60 nx
    if (r == false) {
        // 说明之前设置过该⼿机的验证码了
        long c = Redis 执⾏命令：incr key
        if (c > 5) {
            // 说明超过了⼀分钟 5 次的限制了
            // 限制发送
            return null;
        }
    }
    
    // 说明要么之前没有设置过⼿机的验证码；要么次数没有超过 5 次
    String validationCode = ⽣成随机的 6 位数的验证码();
    
    validationKey = "validation:" + phoneNumber;
    // 验证码 5 分钟（300 秒）内有效
    Redis 执⾏命令：set validationKey validationCode ex 300;
    
    // 返回验证码，随后通过⼿机短信发送给⽤⼾
    return validationCode;
}

// 验证⽤⼾输⼊的验证码是否正确
bool 验证验证码(phoneNumber, validationCode) {
    validationKey = "validation:" + phoneNumber;
    
    String value = Redis 执⾏命令：get validationKey;
    if (value == null) {
        // 说明没有这个⼿机的验证码记录，验证失败
        return false;
    }
    
    if (value == validationCode) {
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

短信发送的操作，是有专门的 SDK 来实现的，即第三方提供的短信平台服务

以上介绍了使⽤ Redis 的字符串数据类型可以使⽤的⼏个场景，但其适⽤场景远不⽌于此，开发⼈员可以结合字符串类型的特点以及提供的命令，充分发挥⾃⼰的想象⼒，在⾃⼰的业务中去找到合适的场景去使⽤ Redis 的字符串类型。

谈谈业务

业务就是一个公司/产品，是如何解决一个/一系列问题的。

解决问题的过程，就可以称为是“业务”。

一个公司/产品要想存在，就得赚钱，就得帮比人解决问题。

不同的公司，不同的产品，就有不同的业务。不同的业务就需要不同的技术作为支撑。很多时候，优化技术解决不了的问题，可以通过优化业务来解决。

实际开发过程中，必须要结合实际业务场景，做一些技术上的调整。