有序集合物件 — Redis 設計與實現 http://redisbook.com/preview/object/sorted_set.html

有序集合物件

有序集合的編碼可以是ziplist或者skiplist。

ziplist編碼的有序集合物件使用壓縮列表作為底層實現， 每個集合元素使用兩個緊挨在一起的壓縮列表節點來儲存， 第一個節點儲存元素的成員（member）， 而第二個元素則儲存元素的分值（score）。

壓縮列表內的集合元素按分值從小到大進行排序， 分值較小的元素被放置在靠近表頭的方向， 而分值較大的元素則被放置在靠近表尾的方向。

舉個例子， 如果我們執行以下ZADD命令， 那麼伺服器將建立一個有序集合物件作為price

redis> ZADD price 8.5 apple 5.0 banana 6.0 cherry
(integer) 3

如果price鍵的值物件使用的是ziplist編碼， 那麼這個值物件將會是圖 8-14 所示的樣子， 而物件所使用的壓縮列表則會是 8-15 所示的樣子。

skiplist編碼的有序集合物件使用zset結構作為底層實現， 一個zset結構同時包含一個字典和一個跳躍表：

typedef struct zset {

    zskiplist *zsl;

    dict *dict;

} zset;

zset結構中的zsl跳躍表按分值從小到大儲存了所有集合元素， 每個跳躍表節點都儲存了一個集合元素： 跳躍表節點的object

除此之外，zset結構中的dict字典為有序集合建立了一個從成員到分值的對映， 字典中的每個鍵值對都儲存了一個集合元素： 字典的鍵儲存了元素的成員， 而字典的值則儲存了元素的分值。 通過這個字典， 程式可以用O(1)複雜度查詢給定成員的分值，ZSCORE命令就是根據這一特性實現的， 而很多其他有序集合命令都在實現的內部用到了這一特性。

有序集合每個元素的成員都是一個字串物件， 而每個元素的分值都是一個double

為什麼有序集合需要同時使用跳躍表和字典來實現？

在理論上來說， 有序集合可以單獨使用字典或者跳躍表的其中一種資料結構來實現， 但無論單獨使用字典還是跳躍表， 在效能上對比起同時使用字典和跳躍表都會有所降低。

舉個例子， 如果我們只使用字典來實現有序集合， 那麼雖然以O(1)複雜度查詢成員的分值這一特性會被保留， 但是， 因為字典以無序的方式來儲存集合元素， 所以每次在執行範圍型操作 —— 比如ZRANK、ZRANGE等命令時， 程式都需要對字典儲存的所有元素進行排序， 完成這種排序需要至少O(N \log N)時間複雜度， 以及額外的O(N)記憶體空間 （因為要建立一個數組來儲存排序後的元素）。

另一方面， 如果我們只使用跳躍表來實現有序集合， 那麼跳躍表執行範圍型操作的所有優點都會被保留， 但因為沒有了字典， 所以根據成員查詢分值這一操作的複雜度將從O(1)上升為O(\log N)。

因為以上原因， 為了讓有序集合的查詢和範圍型操作都儘可能快地執行， Redis 選擇了同時使用字典和跳躍表兩種資料結構來實現有序集合。

舉個例子， 如果前面price鍵建立的不是ziplist編碼的有序集合物件， 而是skiplist編碼的有序集合物件， 那麼這個有序集合物件將會是圖 8-16 所示的樣子， 而物件所使用的zset結構將會是圖 8-17 所示的樣子。

注意

為了展示方便， 圖 8-17 在字典和跳躍表中重複展示了各個元素的成員和分值， 但在實際中， 字典和跳躍表會共享元素的成員和分值， 所以並不會造成任何資料重複， 也不會因此而浪費任何記憶體。

編碼的轉換

當有序集合物件可以同時滿足以下兩個條件時， 物件使用ziplist編碼：

1. 有序集合儲存的元素數量小於128個；
2. 有序集合儲存的所有元素成員的長度都小於64位元組；

不能滿足以上兩個條件的有序集合物件將使用skiplist編碼。

注意

以上兩個條件的上限值是可以修改的， 具體請看配置檔案中關於zset-max-ziplist-entries選項和zset-max-ziplist-value選項的說明。

對於使用ziplist編碼的有序集合物件來說， 當使用ziplist編碼所需的兩個條件中的任意一個不能被滿足時， 程式就會執行編碼轉換操作， 將原本儲存在壓縮列表裡面的所有集合元素轉移到zset結構裡面， 並將物件的編碼從ziplist改為skiplist。

以下程式碼展示了有序集合物件因為包含了過多元素而引發編碼轉換的情況：

# 物件包含了 128 個元素
redis> EVAL "for i=1, 128 do redis.call('ZADD', KEYS[1], i, i) end" 1 numbers
(nil)

redis> ZCARD numbers
(integer) 128

redis> OBJECT ENCODING numbers
"ziplist"

# 再新增一個新元素
redis> ZADD numbers 3.14 pi
(integer) 1

# 物件包含的元素數量變為 129 個
redis> ZCARD numbers
(integer) 129

# 編碼已改變
redis> OBJECT ENCODING numbers
"skiplist"

以下程式碼則展示了有序集合物件因為元素的成員過長而引發編碼轉換的情況：

# 向有序集合新增一個成員只有三位元組長的元素
redis> ZADD blah 1.0 www
(integer) 1

redis> OBJECT ENCODING blah
"ziplist"

# 向有序集合新增一個成員為 66 位元組長的元素
redis> ZADD blah 2.0 oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo
(integer) 1

# 編碼已改變
redis> OBJECT ENCODING blah
"skiplist"

有序集合命令的實現

因為有序集合鍵的值為有序集合物件， 所以用於有序集合鍵的所有命令都是針對有序集合物件來構建的， 表 8-11 列出了其中一部分有序集合鍵命令， 以及這些命令在不同編碼的有序集合物件下的實現方法。

表 8-11 有序集合命令的實現方法