Redis 五大核心数据结构

概述

Redis 的性能基石在于其精心设计的底层数据结构。Redis 的每个值都有多种编码（encoding），会根据数据规模和内容自动切换，在内存占用和操作效率之间寻找最优解。理解这些编码的切换策略，是面试中的高频考点，也是性能调优的关键前提。

核心原理

String — SDS（Simple Dynamic String）

Redis 的 String 类型不是直接用 C 字符串，而是用 SDS（Simple Dynamic String）结构。SDS 的定义如下：

struct sdshdr {
    int len;        //  buf 中已使用的字节数
    int free;       //  buf 中未使用的字节数
    unsigned char flags; //  低3位标记类型：SDS_TYPE_5/8/10/16/32
    char buf[];     //  可变长度字符数组，以 \0 结尾
};

Note

SDS 有 5 种格式（SDS_TYPE_5 到 SDS_TYPE_32），通过 flags 字段的低 3 位区分。SDS_TYPE_5 用于短字符串（len < 32），直接内嵌在 dictEntry 中而不分配独立对象。

为什么不用 C 字符串？

问题	C 字符串	SDS
O(N) 获取长度	strlen 遍历计数	len 字段 O(1)
缓冲区溢出风险	strcpy/strcat 不安全	分配时检查空间
修改需重新分配	每次可能 realloc	惰性空间释放（free 保留）
二进制安全	遇 \0 截断	记录 len，可存任意二进制数据

innative 优化：从 Redis 7.0 开始，小字符串使用 SDS_TYPE_5 直接存储在 dictEntry 的键槽中，完全避免额外的堆分配，减少内存碎片和 malloc 开销。

List — quicklist

Redis 3.2 之前用 ziplist + linkedlist 实现 List，3.2 之后统一为 quicklist。

quicklist 是一个双向链表，每个节点（quicklistNode）是一个 ziplist 或 listpack（Redis 7.0+）。通过 list-max-ziplist-size 控制每个节点的压缩列表大小：

list-max-ziplist-size 值	含义
正数 N	该节点最多 N 个元素
-1	每节点不限（仅受 memory 约束）
-2	每节点 <= 8KB
-3	每节点 <= 4KB
-4	每节点 <= 2KB
-5	每节点 <= 1KB（默认）

// Go 伪代码示意 quicklist 的结构
type quicklist struct {
    head *quicklistNode
    tail *quicklistNode
    count int64   // 总元素数
    zipsize int // list-max-ziplist-size 全局配置
}

type quicklistNode struct {
    prev *quicklistNode
    next *quicklistNode
    ptr  unsafe.Pointer // 指向 ziplist/listpack
    sz   uint32         // 字节大小
}

Hash — zipmap / hashtable 切换

Hash 有两种编码，根据数据和元素数量自动切换：

zipmap（Redis 4.0 之前）→ 当元素数量 >= 512 且最大 value 长度 < 64 字节时使用 hashtable
ziplist（Redis 4.0 ~ 5.x）→ 元素数量 <= 512 且所有 value 长度 < 64 字节
hashtable（Redis 4.0+ 默认）→ 只要有一个 value > 64 字节或元素数 > 512 就切换到 hashtables

Warning

Redis 4.0+ 废弃了 ziplist 作为 Hash 编码，默认始终使用 hashtable。这是因为 ziplist 插入删除的均摊代价在大数据量下反而更高。ziplist 编码目前仅在 ZSet 场景中保留。

Set — intset → hashtable 切换

Set 编码切换逻辑非常直观：

graph TD
    A["Set 创建"] --> B{"所有元素都是整数?"}
    B -->|是| C["intset 编码"]
    B -->|否| D["hashtable 编码"]
    C --> E{"新加入的元素仍是整数?"}
    E -->|是| F["继续 intset"]
    E -->|否| G["转换为 hashtable"]
    D --> H["维持 hashtable"]

intset：有序整数集合，紧凑排列在连续内存中。支持 int16_t、int32_t、int64_t 三种格式，升级时 realloc 整个结构（不可降级）。
hashtable：通用哈希表，任何类型的成员都能存储。

ZSet — skiplist + ziplist / quicklist 切换

ZSet 是最复杂的结构，组合了两层编码：

ziplist（Redis 5.0 之前）/ quicklist（Redis 5.0+）：当元素少且值小时用压缩列表存储
skiplist + hashtable：标准模式，跳表按 score 排序，hashtable 按 member 做 O(1) 查找

Tip

面试常考：跳表的平均查找复杂度 O(log N)，最坏 O(N)；Redis 跳表通过限制随机层级上限（maxlevel=32）和控制概率 p=0.25，保证最坏情况也在可接受范围。跳表节点包含：score（分数）、member（成员）、back（后退指针）、forward（多层前进指针数组）。

代码示例

以下展示如何查看 Redis 对象的内部编码：

# Redis CLI 中查看键的内部编码
127.0.0.1:6379> OBJECT ENCODED mykey
"ziplist"   # 或 "skiplist", "hashtable", "intset"

// Go 中使用 Redigo 库观察 Redis 行为
import "github.com/gomodule/redigo/redis"

conn, _ := redis.Dial("tcp", "localhost:6379")
defer conn.Close()

// HSET 少量数据 → ziplist/hashmap
conn.Do("HSET", "user:1", "name", "alice", "age", "25")
// 数据量大后自动切 hashtable —— 用户无感知

实践场景

Hash 内存优化：对于一个用户有几十个字段的小 Hash，手动合并成单个 Key（如 user:1:name）不如用一个 Hash 结构 user:1，因为 ziplist 能省大量内存。
ZSet 排行榜实现：电商商品销量排名、社交媒体点赞排行等场景天然适合 ZSet。ZREVRANGEBYSCORE 可以高效取 Top-N。
List 替代方案：如果 List 只用两端操作（LPUSH + RPOP），本质上是个队列；但 quicklist 的中间节点插入在大数据量时会有 O(N) 成本，考虑用 Stream 替代。

5.9 KiB Raw Blame History Unescape Escape