Redis 有序集合（Sorted Set）

以下从基础命令、内部编码和使用场景三个维度对 Redis 有序集合进行详细解析：

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一、基础命令

命令	时间复杂度	命令含义
zadd key score member [score member …]	$O(k\times log(n))$，k是添加成员的个数，n是当前有序集合成员个数	向有序集合（Sorted Set）中添加一个或多个成员，同时为每个成员关联一个分数（score），根据分数对成员进行排序 。
zcard key	O(1)	获取有序集合中成员的数量 。
zscore key member	O(1)	获取有序集合中指定成员的分数 。
zrank key member	O(log(n))，n是当前有序集合成员个数	获取有序集合中指定成员的排名（从0开始，按分数从小到大排序） 。
zrevrank key member	O(log(n))，n是当前有序集合成员个数	获取有序集合中指定成员的排名（从0开始，按分数从大到小排序） 。
zrem key member [member …]	O(k*log(n))，k是删除成员的个数，n是当前有序集合成员个数	从有序集合中删除一个或多个成员 。
zincrby key increment member	O(log(n))，n是当前有序集合成员个数	为有序集合中指定成员的分数加上指定的增量 。
zrange key start end [withscores]	O(log(n)+k)，k是要获取的成员个数，n是当前有序集合成员个数	按照分数从小到大的顺序，获取有序集合中指定区间内的成员，可选择是否返回成员的分数 。
zrevrange key start end [withscores]	O(log(n)+k)，k是要获取的成员个数，n是当前有序集合成员个数	按照分数从大到小的顺序，获取有序集合中指定区间内的成员，可选择是否返回成员的分数 。
zrangebyscore key min max [withscores] [limit offset count]	O(log(n)+k)，k是要获取的成员个数，n是当前有序集合成员个数	按照分数范围，获取有序集合中分数在指定区间内的成员，可选择是否返回成员的分数，还可通过limit指定返回结果的偏移量和数量 。
zrevrangebyscore key max min [withscores] [limit offset count]	O(log(n)+k)，k是要获取的成员个数，n是当前有序集合成员个数	按照分数范围，从大到小获取有序集合中分数在指定区间内的成员，可选择是否返回成员的分数，还可通过limit指定返回结果的偏移量和数量 。
zcount key min max	O(log(n))，n是当前有序集合成员个数	计算有序集合中分数在指定区间内的成员数量 。
zremrangebyrank key start end	O(log(n)+k)，k是要删除的成员个数，n是当前有序集合成员个数	根据成员排名范围，从有序集合中删除指定区间内的成员 。
zremrangebyscore key min max	O(log(n)+k)，k是要删除的成员个数，n是当前有序集合成员个数	根据分数范围，从有序集合中删除分数在指定区间内的成员 。

有序集合的核心命令围绕元素分数（score）的增删查改、排序和集合运算展开，主要分为以下几类：

1. 元素操作

• ZADD：添加或更新元素及其分数（支持 NX​、XX​、INCR​ 等选项）。

  ZADD leaderboard 100 "player1"  # 添加玩家1，分数100
  

• ZREM：移除指定元素。

• ZINCRBY：增减元素的分数（如积分变动）。

  ZINCRBY leaderboard 50 "player1"  # 玩家1分数+50
  

• ZSCORE：获取元素分数。

2. 范围查询与排序

• ZRANGE / ZREVRANGE：按分数升序/降序返回指定区间元素。
• ZRANGEBYSCORE：按分数区间筛选元素（支持开闭区间）。
• ZRANK / ZREVRANK：获取元素的正序/逆序排名。

3. 集合运算

• ZINTERSTORE / ZUNIONSTORE：计算多个有序集合的交集/并集，结果存储到新键。

  ZINTERSTORE result 2 key1 key2  # 计算key1和key2的交集
  

4. 统计与删除

• ZCARD：获取集合元素总数。
• ZCOUNT：统计指定分数区间内的元素数量。
• ZREMRANGEBYRANK / ZREMRANGEBYSCORE：按排名或分数区间批量删除元素。

5. 阻塞操作

• BZPOPMAX / BZPOPMIN：阻塞弹出最高/最低分元素，适用于优先级队列。

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二、内部编码

Redis 根据数据规模动态选择编码方式，以平衡内存和性能：

1. ziplist（压缩列表）

• 触发条件：

  • 元素数量 ≤ zset-max-ziplist-entries​（默认 128）。
  • 每个元素的成员（member）长度 ≤ zset-max-ziplist-value​（默认 64 字节）。

• 特点：

  • 内存紧凑，连续存储成员和分数，无指针开销。
  • 增删操作时间复杂度为 O(n)，适用于小规模数据。

2. skiplist（跳表）

• 触发条件：超出 ziplist 容量限制时自动转换。

• 特点：

  • 跳表+哈希表组合实现：跳表维护有序结构（O(logN) 查询），哈希表存储成员到分数的映射（O(1) 查询）。
  • 支持高效范围查询和动态数据插入。

3. 编码转换规则

• 只允许从 ziplist 转为 skiplist，不可逆。
• 可通过 OBJECT ENCODING key​ 查看当前编码类型。

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三、使用场景

有序集合凭借唯一性和有序性，适用于以下典型场景：

1. 排行榜系统

• 代码案例： 音乐排行榜 统计音乐播放量以及相关排名信息

  package com.example.redis.sortedset;
  
  import redis.clients.jedis.Jedis;
  import redis.clients.jedis.Tuple;
  
  import java.util.Set;
  
  /**
   * 描述: 音乐排行榜系统
   * 使用 Redis 有序集合（Sorted Set）存储歌曲排行榜，key 为 RANKING_KEY（例如："music:ranking"）。
   * 每个元素的 score 用于表示歌播放量、点赞数等，可以根据具体业务情况计算。
   * 使用 zadd 命令添加或更新歌曲得分，zadd 如果已有成员会更新其得分，保证同一首歌曲不会重复添加。
   *  clickPlay 方法，每次点击播放时使用 jedis.zincrby(RANKING_KEY, 1, songId) 将歌曲的播放量加 1。
   * 使用 zrevrange 按分数降序查询排行榜，从而获取热门歌曲；同时可使用 zrevrank、zscore 获取歌曲排名和得分。
   * 示例中 main 函数模拟了添加/更新操作，并展示了如何获取排行榜、查询具体歌曲信息等操作
   * @author ZHOUXIAOYUE
   * @date 2025/4/21 15:19
   */
  public class MusicRankingSystem {
      // 定义排行榜对应的 Redis key
      private static final String RANKING_KEY = "music:ranking";
      private Jedis jedis;
      public MusicRankingSystem() {
          // 连接 Redis 服务，默认地址 localhost:6379
          jedis = new Jedis("localhost", 6379);
      }
      /**
       * 添加歌曲到排行榜
       * 如果歌曲已存在，则不会重复添加，初始播放量可为 0（或指定值）
       *
       * @param songId    歌曲 ID
       * @param playCount 初始播放量
       */
      public void addSong(String songId, double playCount) {
          // 判断歌曲是否已存在
          if (jedis.zscore(RANKING_KEY, songId) == null) {
              jedis.zadd(RANKING_KEY, playCount, songId);
              System.out.println("添加歌曲 " + songId + "，初始播放量为：" + playCount);
          } else {
              System.out.println("歌曲 " + songId + " 已存在，当前播放量为：" + jedis.zscore(RANKING_KEY, songId));
          }
      }
      /**
       * 模拟点击播放歌曲，每点击一次歌曲播放量自动+1
       *
       * @param songId 歌曲 ID
       */
      public void clickPlay(String songId) {
          // 使用 zincrby 实现播放量自动加 1
          double newPlayCount = jedis.zincrby(RANKING_KEY, 1, songId);
          System.out.println("歌曲 " + songId + " 播放一次，当前播放量为：" + newPlayCount);
      }
      /**
       * 获取排行榜前 N 名的歌曲（播放量从高到低排序）
       *
       * @param top 前 N 名
       * @return 歌曲 ID 集合
       */
      public Set<String> getTopSongs(int top) {
          // 使用 zrevrange 按播放量从高到低排序
          Set<String> topSongs = jedis.zrevrange(RANKING_KEY, 0, top - 1);
          System.out.println("排行榜前 " + top + " 名：" + topSongs);
          return topSongs;
      }
      /**
       * 获取某个歌曲的排名（排名从 1 开始，播放量越高排名越靠前）
       *
       * @param songId 歌曲 ID
       * @return 歌曲排名，歌曲不存在返回 -1
       */
      public long getSongRank(String songId) {
          Long rank = jedis.zrevrank(RANKING_KEY, songId);
          if (rank == null) {
              System.out.println("歌曲 " + songId + " 不在排行榜中。");
              return -1;
          } else {
              System.out.println("歌曲 " + songId + " 的排名是：" + (rank + 1));
              return rank + 1;
          }
      }
      /**
       * 获取某个歌曲的播放量
       *
       * @param songId 歌曲 ID
       * @return 播放量
       */
      public double getSongPlayCount(String songId) {
          Double playCount = jedis.zscore(RANKING_KEY, songId);
          System.out.println("歌曲 " + songId + " 的播放量为：" + playCount);
          return playCount == null ? 0 : playCount;
      }
      /**
       * 获取排行榜中指定区间的歌曲及播放量
       *
       * @param start 区间开始索引（从 0 开始）
       * @param end   区间结束索引
       */
      public void getSongsWithPlayCount(int start, int end) {
          Set<Tuple> tuples = jedis.zrevrangeWithScores(RANKING_KEY, start, end);
          System.out.println("排行榜区间 [" + start + ", " + end + "] 内的歌曲信息：");
          for (Tuple tuple : tuples) {
              System.out.println("歌曲 ID：" + tuple.getElement() + "，播放量：" + tuple.getScore());
          }
      }
      /**
       * 关闭 Jedis 连接
       */
      public void close() {
          if (jedis != null) {
              jedis.close();
          }
      }
      public static void main(String[] args) {
          MusicRankingSystem rankingSystem = new MusicRankingSystem();
          // 添加几首歌曲到排行榜，初始播放量设置为 0
          rankingSystem.addSong("song:101", 0);
          rankingSystem.addSong("song:102", 0);
          rankingSystem.addSong("song:103", 0);
          rankingSystem.addSong("song:104", 0);
          rankingSystem.addSong("song:105", 0);
          // 模拟点击播放，不同歌曲点击次数不同
          rankingSystem.clickPlay("song:101");
          rankingSystem.clickPlay("song:102");
          rankingSystem.clickPlay("song:101");
          rankingSystem.clickPlay("song:103");
          rankingSystem.clickPlay("song:102");
          rankingSystem.clickPlay("song:101");
          rankingSystem.clickPlay("song:104");
          rankingSystem.clickPlay("song:105");
          rankingSystem.clickPlay("song:103");
          rankingSystem.clickPlay("song:105");
          // 获取排行榜前 3 名的歌曲
          rankingSystem.getTopSongs(3);
          // 获取指定歌曲的排名与播放量
          rankingSystem.getSongRank("song:101");
          rankingSystem.getSongPlayCount("song:101");
          // 获取排行榜中索引 0～4 区间内的歌曲信息
          rankingSystem.getSongsWithPlayCount(0, 4);
          // 关闭连接
          rankingSystem.close();
      }
  }
  

• 实现：以用户积分作为分数，利用 ZREVRANGE​ 获取排名前 N 的用户。

  ZREVRANGE leaderboard 0 9 WITHSCORES  # 获取Top10玩家及分数
  

2. 优先级队列

• 实现：任务分数表示优先级，通过 BZPOPMAX​ 优先处理高优先级任务。

3. 时间轴/事件排序

• 实现：以时间戳为分数，存储用户行为日志，按时间范围查询。

  ZADD user:1001:actions 1620000000 "login"
  ZRANGEBYSCORE user:1001:actions 1620000000 1620003600  # 查询某时间段行为
  

4. 动态统计与过滤

• 实现：统计分数区间内元素（如商品价格区间）。

  ZCOUNT products 100 500  # 统计价格在100-500的商品数量
  

5. 数据去重与聚合

• 实现：通过 ZINTERSTORE​ 计算用户兴趣标签的交集。

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四、调优建议

1. 内存优化：

   • 小规模数据优先使用 ziplist，调整 zset-max-ziplist-entries​ 和 zset-max-ziplist-value​ 参数。

2. 性能优化：

   • 高频写入场景建议增大 ziplist 阈值，减少跳表转换开销。

3. 查询优化：

   • 避免全量遍历（如 ZRANGE 0 -1​），改用分页或迭代器（ZSCAN​）。

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