好的，我們來詳細講解 Redis 的數據結構及其應用場景。Redis 的強大之處不僅僅在于它支持簡單的鍵值對，更在于它提供了豐富的數據結構，每種結構都針對特定類型的應用場景進行了優化。

核心數據結構與應用場景

Redis 主要支持以下五種核心數據結構：String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（集合）、Sorted Set（有序集合）。此外，還有 Bitmaps、HyperLogLogs、Streams 等更高級的結構。

---

1. String（字符串）

這是最簡單也是最基礎的數據類型。一個 Key 對應一個 Value。Value 不僅是字符串，也可以是數字（整數或浮點數），并且可以對數字進行自增/自減操作。

• 內部實現：基于簡單動態字符串（SDS）實現，可以修改的字符串，預分配內存，減少內存頻繁分配。
• 常用命令：SET, GET, MSET, MGET, INCR, DECR, INCRBY

應用場景：

• 緩存：最經典的場景。將數據庫查詢結果、熱點數據、會話信息（Session）等序列化后存入 String，加快訪問速度。
  • SET user:1001 "{name: 'Alice', email: 'alice@example.com'}"
• 計數器：利用 INCR、DECR 命令實現點贊數、瀏覽數、庫存計數等。這些操作是原子性的，非常適合高并發場景。
  • INCR article:1001:views
• 分布式鎖：利用 SET key value NX EX seconds 命令（當 key 不存在時設置，并設置過期時間）可以實現簡單的分布式鎖。
• Session 共享：在集群服務中，將用戶的登錄會話信息集中存儲在 Redis 中，實現多臺服務器共享 Session。

---

2. Hash（哈希）

類似于 Java 中的 Map<String, Object>，是一組鍵值對的集合。非常適合存儲對象。

• 內部實現：底層有兩種編碼方式：ziplist（壓縮列表，在元素少、體積小時使用）和 hashtable（哈希表）。
• 常用命令：HSET, HGET, HMSET, HMGET, HGETALL, HINCRBY

應用場景：

• 存儲對象：存儲用戶信息、商品信息等需要多個字段的對象。相比將整個對象序列化成 String，Hash 可以單獨獲取、修改某個字段，更節省網絡帶寬和存儲空間。
  • HSET user:1001 name "Alice" age "30" email "alice@example.com"
  • HGET user:1001 name -> “Alice”
• 購物車：以用戶ID為 Key，商品ID為 Field，商品數量為 Value。
  • HSET cart:1001 product:5001 3 (用戶1001的商品5001數量為3)
  • HINCRBY cart:1001 product:5001 1 (增加1件)

---

3. List（列表）

一個簡單的字符串列表，按插入順序排序。你可以從列表的頭部（左邊）或尾部（右邊）添加元素。

• 內部實現：底層是 quicklist（快速列表），它是多個 ziplist 通過雙向指針組成的鏈表，兼顧了空間效率和插入性能。
• 常用命令：LPUSH, RPUSH, LPOP, RPOP, LRANGE, BLPOP (阻塞操作)

應用場景：

• 消息隊列：利用 LPUSH + BRPOP 可以實現一個簡單的 FIFO（先進先出）隊列。生產者從左邊推入消息，消費者用阻塞方式從右邊取出消息。
• 最新列表：例如最新文章、最新評論、朋友圈時間線。利用 LPUSH 加入新元素，再用 LRANGE 0 9 獲取最新的10條。
  • LPUSH news:latest "News ID 10086"
• 記錄用戶操作歷史：例如用戶的最近搜索、最近瀏覽記錄。

---

4. Set（集合）

Redis 的 Set 是 String 類型的無序集合，集合內的元素是唯一的，不允許重復。

• 內部實現：底層是 intset（整數集合，當元素都是整數且數量少時）或 hashtable（哈希表，value 為 null）。
• 常用命令：SADD, SMEMBERS, SISMEMBER, SINTER (交集), SUNION (并集), SDIFF (差集)

應用場景：

• 標簽（Tag）：給用戶、文章等對象打標簽。可以很方便地求交集、并集等。
  • SADD article:1001:tags "tech" "redis" "database"
  • SADD user:1002:tags "tech" "python"
  • SINTER article:1001:tags user:1002:tags -> 獲取共同標簽 “tech”
• 共同關注/好友：利用 SINTER 可以輕松求出兩個用戶的共同好友。
• 抽獎/秒殺：利用 SADD 將所有參與用戶ID加入，可以自動保證唯一性，不會重復添加。SMEMBERS 可以列出所有參與者。
• 黑白名單：將需要過濾的 ID 放入 Set，用 SISMEMBER 快速判斷某個 ID 是否在名單內。

---

5. Sorted Set（有序集合 / ZSet）

與 Set 類似，也是 String 類型元素的集合，且不允許重復。但每個元素都會關聯一個 double 類型的分數（score）。Redis 正是通過分數來為集合中的成員進行從小到大的排序。成員是唯一的，但分數可以重復。

• 內部實現：底層是 ziplist（壓縮列表）或 skiplist（跳躍表） + dict（字典）的組合，跳躍表保證范圍查詢的效率，字典保證按成員查詢的效率。
• 常用命令：ZADD, ZRANGE (按分數正序), ZREVRANGE (按分數倒序), ZRANK, ZREVRANK, ZRANGEBYSCORE

應用場景：

• 排行榜：這是最經典的應用場景。將分數設為點擊量、銷量、熱度等，自動進行排序。
  • ZADD leaderboard 100 "player1" 200 "player2"
  • ZREVRANGE leaderboard 0 9 WITHSCORES -> 獲取排行榜前十名
• 帶權重的隊列：分數可以作為優先級，實現優先級隊列。
• 范圍查找：例如處理成績表，快速查找分數在 [90, 100] 之間的學生。
  • ZRANGEBYSCORE grades 90 100
• 延時任務：將任務的執行時間作為 score，用一個進程輪詢獲取到期的任務（ZRANGEBYSCORE key 0 <當前時間戳>）。

---

其他高級數據結構

• Bitmaps（位圖）： 本質上是 String，但可以對字符串的位進行操作。適用于大量布爾值的存儲，如用戶簽到記錄（每天1bit）、活躍用戶統計，極其節省空間。
• HyperLogLogs： 用于做基數統計（估算一個集合中不重復元素的個數），標準誤差僅0.81%。優點是非常節省空間。適用于統計網站的 UV（獨立訪客）、搜索關鍵詞的不重復數量等，PFADD, PFCOUNT, PFMERGE。
• Geospatial（地理空間）： 可以存儲地理坐標，并計算距離、查找范圍內成員等。適用于附近的人、地理位置推薦。
• Streams（流）： Redis 5.0 引入，專門為消息隊列設計，支持多消費者組、消息持久化、確認機制，功能比 List 更強大，是更專業的消息隊列解決方案。

總結與選擇建議

數據結構	特性	典型應用場景
String	簡單鍵值，支持數字和位操作	緩存、計數器、分布式鎖
Hash	適合存儲對象，可部分更新	用戶信息、購物車、配置項
List	有序、可重復，支持阻塞操作	消息隊列、最新列表、歷史記錄
Set	無序、唯一，支持集合運算	標簽、共同好友、抽獎、黑白名單
Sorted Set	唯一、有序（按分數排序）	排行榜、優先級隊列、范圍查找
Bitmaps	極省空間的布爾狀態存儲	用戶簽到、活躍用戶統計
HyperLogLog	極省空間的基數估算	網站UV統計
Streams	持久化的消息流	復雜消息隊列

選擇時考慮以下幾點：

1. 數據形態：是需要一個對象（Hash）、一個列表（List）、一個不重復集合（Set）還是一個帶排序的集合（ZSet）？
2. 操作類型：是需要頻繁讀取部分字段（Hash），還是需要排序（ZSet），或是需要集合運算（Set）？
3. 性能與效率：String 存儲序列化對象雖然簡單，但修改一個字段就需要整個讀寫，不如 Hash 高效。在元素較少時，Redis 會使用更緊湊的編碼（如 ziplist）來節省內存。