Redis链表底层实现及生产实战

Redis 的 List 是一个双向链表，链表中的每个节点都包含了一个字符串。是redis中最常用的数据结构之一，下面跟大家分享下redis链表的底层实现以及生产实战。

底层实现

Redis的list数据结构底层实现是基于双向链表实现的。双向链表是一种常见的数据结构，它由一系列节点组成，每个节点都由一个listNode结构表示，其中包含了一个指向前一个节点的指针prev、一个指向后一个节点的指针next和一个存储值的指针value。在Redis中，每个节点代表一个元素，节点之间通过指针连接起来，形成一个双向链表。

双向链表的好处是可以快速地在头部和尾部进行插入和删除操作。在Redis中，当一个新的元素被插入到List的头部或者尾部时，只需要修改新节点的prev和next指针以及原来头部或尾部节点的prev或next指针即可完成插入操作，时间复杂度为O(1)。同样的，当一个元素被删除时，只需要修改前一个节点的next指针或者后一个节点的prev指针即可完成删除操作，时间复杂度也为O(1)。

除了双向链表，Redis还使用了一些其他的技术来优化List数据结构的性能。例如，当List中的元素数量超过一定阈值时，Redis会将List转换为压缩列表（zip list），这样可以减少内存的使用和提高访问速度。在对List进行迭代操作时，Redis使用了迭代器（iterator）来遍历List中的元素，这样可以避免在遍历过程中对List进行修改而导致的错误。

Redis的list数据结构支持在头部或尾部插入或删除元素，以及在指定位置插入或删除元素。这些操作都可以在常数时间内完成，因为Redis的双向链表实现支持快速访问头部和尾部节点，以及在指定位置插入和删除节点。

下面是一些常见的Redis list操作及其时间复杂度：

• LPUSH：在头部插入元素，时间复杂度为O(1)。
• RPUSH：在尾部插入元素，时间复杂度为O(1)。
• LPOP：删除头部元素，时间复杂度为O(1)。
• RPOP：删除尾部元素，时间复杂度为O(1)。
• LINDEX：访问指定位置的元素，时间复杂度为O(n)。
• LINSERT：在指定位置插入元素，时间复杂度为O(n)。
• LREM：删除指定元素，时间复杂度为O(n)。

以上图片转载至黄建宏的《Redis设计与实战》pdf。

源码实现

Redis List数据结构的底层代码实现demo，使用C语言实现：

typedef struct listNode {
 struct listNode *prev;
 struct listNode *next;
 void *value;
} listNode;

typedef struct list {
 listNode *head;
 listNode *tail;
 unsigned long len;
} list;

list *listCreate(void) {
 list *l;

 if ((l = malloc(sizeof(*l))) == NULL) return NULL;
 l->head = l->tail = NULL;
 l->len = 0;
 return l;
}

void listRelease(list *list) {
 unsigned long len;
 listNode *current, *next;

 current = list->head;
 len = list->len;
 while(len--) {
 next = current->next;
 free(current);
 current = next;
 }
 free(list);
}

listNode *listAddNodeHead(list *list, void *value) {
 listNode *node;

 if ((node = malloc(sizeof(*node))) == NULL) return NULL;
 node->value = value;
 if (list->len == 0) {
 list->head = list->tail = node;
 node->prev = node->next = NULL;
 } else {
 node->prev = NULL;
 node->next = list->head;
 list->head->prev = node;
 list->head = node;
 }
 list->len++;
 return node;
}

listNode *listAddNodeTail(list *list, void *value) {
 listNode *node;

 if ((node = malloc(sizeof(*node))) == NULL) return NULL;
 node->value = value;
 if (list->len == 0) {
 list->head = list->tail = node;
 node->prev = node->next = NULL;
 } else {
 node->prev = list->tail;
 node->next = NULL;
 list->tail->next = node;
 list->tail = node;
 }
 list->len++;
 return node;
}

void listDelNode(list *list, listNode *node) {
 if (node->prev)
 node->prev->next = node->next;
 else
 list->head = node->next;
 if (node->next)
 node->next->prev = node->prev;
 else
 list->tail = node->prev;
 free(node);
 list->len--;
}

以上代码实现了List数据结构的基本操作，包括创建List、释放List、在头部和尾部插入元素以及删除元素。这些操作的时间复杂度都为O(1)。

生产实战妙用

Redis List 数据结构在生产环境中有很多妙用：

• 消息队列：Redis List 可以用作消息队列，生产者将消息 push 到 List 中，消费者通过 blpop、brpop 等命令阻塞式地获取消息并进行处理，从而实现了简单的消息队列。
• 排行榜：Redis List 的 push 和 pop 操作都是 O(1) 的时间复杂度，可以将用户的分数作为值存储在 List 中，然后通过 lrange 命令获取排行榜。
• 最近联系人列表：可以将用户最近联系人的 ID 存储在 List 中，每当用户与某个联系人进行交互时，将该联系人的 ID 移动到 List 的头部，这样就可以通过 lrange 命令获取用户最近联系人列表。
• 分页查询：可以将数据存储在 List 中，然后使用 lrange 命令进行分页查询。
• 慢日志：Redis 可以记录执行时间超过一定阈值的命令，将这些命令的信息存储在 List 中，通过 lrange 命令获取慢日志信息。
• 聊天室：可以将聊天室中的消息存储在 List 中，每当有新消息时，将其 push 到 List 中，然后通过 lrange 命令获取最新的消息。
• 任务队列：可以将需要执行的任务存储在 List 中，然后通过 lpop 命令获取任务并执行。
• 实时数据统计：可以将实时数据存储在 List 中，然后通过 lrange 命令获取一定时间范围内的数据，并进行统计分析。
• 队列延迟处理：可以将需要延迟处理的任务存储在 List 中，同时将任务的执行时间作为 score 存储在 Sorted Set 中，然后使用 Redis 的定时任务功能，每隔一段时间就将 Sorted Set 中过期的任务移动到 List 中，然后通过 lpop 命令获取任务并执行。
• 日志收集：可以将应用程序的日志信息存储在 List 中，然后通过 lrange 命令获取日志信息进行分析和处理。

实战实例

基于 Redis List 数据结构实现消息队列的 Java 代码示例：

import redis.clients.jedis.Jedis;

public class RedisMessageQueue {
 private Jedis jedis;
 private String queueKey;

 public RedisMessageQueue(Jedis jedis, String queueKey) {
 this.jedis = jedis;
 this.queueKey = queueKey;
 }

 public void enqueue(String message) {
 jedis.rpush(queueKey, message);
 }

 public String dequeue() {
 return jedis.lpop(queueKey);
 }
}

示例中，定义了一个 RedisMessageQueue 类，包含一个 Jedis 对象和一个队列键名 queueKey。enqueue 方法用于将消息 push 到队列中，dequeue 方法用于从队列中获取消息并将其 pop 出来，使用该类可以方便地实现消息队列功能。

使用方法如下：

import redis.clients.jedis.Jedis;

public class TestRedisMessageQueue {
 public static void main(String[] args) {
 Jedis jedis = new Jedis("localhost");
 RedisMessageQueue queue = new RedisMessageQueue(jedis, "myqueue");

 // 生产者向队列中添加消息
 queue.enqueue("Hello, Redis!");
 queue.enqueue("How are you?");

 // 消费者从队列中获取消息
 String message = queue.dequeue();
 while (message != null) {
 System.out.println("Received message: " + message);
 message = queue.dequeue();
 }
 }
}

创建了一个 RedisMessageQueue 对象，并向队列中添加了两条消息。然后使用 dequeue 方法从队列中获取消息，并输出到控制台中。

该示例代码仅为演示 Redis List 数据结构实现消息队列的思路，实际生产环境中需要考虑更多的细节问题，例如如何处理消息重复、如何保证消息的可靠性等等。

Redis 聊天室示例

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisPubSub;

import java.util.Scanner;

public class RedisChatRoom {
 private Jedis jedis;
 private String channel;
 private String chatListKey;

 public RedisChatRoom(Jedis jedis, String channel, String chatListKey) {
 this.jedis = jedis;
 this.channel = channel;
 this.chatListKey = chatListKey;
 }

 public void start() {
 // 订阅 Redis 频道
 jedis.subscribe(new JedisPubSub() {
 @Override
 public void onMessage(String channel, String message) {
 System.out.println("Received message: " + message);
 // 将消息添加到聊天列表中
 jedis.rpush(chatListKey, message);
 }
 }, channel);

 // 发布消息到 Redis 频道
 Scanner scanner = new Scanner(System.in);
 while (true) {
 System.out.print("Enter message: ");
 String message = scanner.nextLine();
 jedis.publish(channel, message);
 }
 }

 public void printChatList() {
 // 获取聊天列表中的所有消息并输出到控制台
 System.out.println("Chat list:");
 for (String message : jedis.lrange(chatListKey, 0, -1)) {
 System.out.println(message);
 }
 }
}

示例中，RedisChatRoom 类中添加了一个聊天列表 chatListKey，用于存储聊天室中的所有消息。在订阅 Redis 频道时，通过 JedisPubSub 的 onMessage 方法将收到的消息添加到聊天列表中。在 printChatList 方法中，通过 lrange 命令获取聊天列表中的所有消息，并输出到控制台中。

使用方法如下：

import redis.clients.jedis.Jedis;

public class TestRedisChatRoom {
 public static void main(String[] args) {
 Jedis jedis = new Jedis("localhost");
 RedisChatRoom chatRoom = new RedisChatRoom(jedis, "mychannel", "mychatlist");
 chatRoom.start();
 chatRoom.printChatList();
 }
}

创建了一个 RedisChatRoom 对象，并指定了频道名为 mychannel 和聊天列表键名为 mychatlist。然后调用 start 方法，开始订阅 Redis 频道并发布消息。最后调用 printChatList 方法，获取聊天列表中的所有消息并输出到控制台中。

该示例仅仅简单演示 Redis List 数据结构实现聊天室的思路，实际项目中需要更周全的设计以及考虑。

总结

Redis List 数据结构的应用场景非常广泛，可以根据不同的需求进行灵活应用。