我們先從Redis支持的數據類型學起，了解不同的數據類型的差異和底層實現的數據結構。
Redis的數據類型
一般的鍵值對數據庫只支持String一種數據類型，例如Memcached，而Redis支持的數據類型非常豐富，一共有5種，分別是String（字符串）、List（列表）、Hash（字典）、Set（集合）、SortSet（有序集合）。除String外，其余四種數據類型是集合類型。
String
String是最簡單的數據類型了，它是由簡單動態字符串實現的。
List
List支持存儲一組數據，有兩種實現方式：壓縮列表（ziplist）和雙向循環鏈表。
Hash
Hash用來存儲一組數據對，每個數據對又包含鍵和值兩部分。Hash也有兩種實現方式：壓縮列表和哈希表。
Set
Set這種數據類型用來存儲一組不重復的數據。有兩種實現方式：有序數組和哈希表。
SortedSet
SortedSet用來存儲一組數據，並且每個數據會附帶一個得分。通過得分的大小，我們將數據組織成跳表這種數據結構，以支持快速地按照得分值、得分區間獲得數據。
SortedSet也有兩種實現方式：跳表和壓縮列表。
Redis的數據結構
Redis底層一共有六種數據結構，分別是簡單動態字符串、雙向鏈表、壓縮列表、哈希表、跳表、整數數組。
簡單動態字符串（SDS）
與字符串本身不同，簡單動態字符串（SDS）保留字符串長度信息，只需要O(1)就能得到字符串長度。
- len：記錄buf數據中已使用字節的數量
- free：記錄buf數組中未使用字節的數量
- buf：字節數組，用於保存字符串
雙向鏈表
雙向鏈表是節點保存前置和后置節點的指針的鏈表結構。
壓縮列表
類似於數組，但與數組不同的是，壓縮列表在表頭有三個字段（zlbytes、zltail、zllen）和表名有一個字段（zlend）。
查找第一個元素和最后一個元素只需要O(1)，其他O(n)。
- zlbytes：列表長度
- zltail：列表層的偏移量
- zllen：列表中的entry個數
- entry list：列表數組
- zlend：表示列表結束
哈希表
一個哈希表，其實就是一個數組，數組的每個元素稱為一個哈希桶。
哈希表最大的好處是查找元素只需要O(1)時間復雜度，但隨着哈希表寫入大量數據后，就可能出現操作變慢的情況，這是因為哈希表的沖突問題和rehash可能帶來的操作阻塞。
為什么哈希表操作變慢了？
當哈希表中寫入大量數據時，哈希沖突是不可避免的。這里的哈希沖突指的是兩個key的哈希值相同，落在同一個哈希桶中。
Redis解決哈希沖突的方式是：鏈式哈希，即同一個哈希桶中的多個元素用一個鏈表來保存。
但這里還存在一個問題，哈希沖突鏈上查找元素的時間復雜度是O(N)，當哈希沖突鏈過長，查找元素耗時長，效率降低。這對Redis來說是不能接受的。
所以Redis會對哈希表做rehash操作。rehash就是增加現有的哈希桶數量，即擴容。
Redis執行rehash有三步：
- 給哈希表2分配更大的空間，例如是當前哈希表1大小的兩倍；
- 把哈希表1中的數據重新映射並拷貝到哈希表2中；
- 釋放哈希表1的空間。
這個過程看似簡單，但是步驟2涉及大量的數據拷貝，如果一次性把數據都遷移完，會造成Redis線程阻塞，無法處理其他請求。
為了避免這個問題，Redis采用了漸進式rehash。
簡單來說，就是把步驟2拷貝數據這一次性開銷分攤到多次請求里，例如請求key1，會把key1所在的哈希桶從哈希表1遷移到哈希表2里，直到所有哈希桶都遷移到哈希表2里。在這個過程里，哈希表1要一直保留，等到遷移完成后才釋放。
除了鍵值對請求操作進行數據遷移，Redis本身還會有一個定時任務來執行rehash。
跳表
有序鏈表只能逐一查找元素，導致操作非常緩慢，於是出現了跳表。具體來說，跳表是在鏈表的基礎上，增加了多級索引，通過索引位置的幾個跳轉，實現數據的快速定位。如下圖所示：
可以看到，這個查找過程就是在多級索引上跳來跳去，最后定位到元素。跳表的查找時間復雜度是O(logN)。
整數數組
就是一個數組，元素類型是整數，並且是有序的。
- encoding：編碼方式
- length：數組包含的元素數量
- contents：保存元素的數組
集合類型的時間復雜度
總結
- Redis能夠快速操作鍵值對，一方面是因為使用了O(1)的哈希表，另一方面是也采用了O(logN)的跳表。
- 集合類型的范圍操作的時間復雜度通常是O(N)。建議用其他命令替換，例如SCAN。
- List的復雜度較高，要因地制宜使用List。
拓展
整數數組和壓縮列表在查找時間復雜度方面沒有很大的優勢，Redis為什么還會把它們作為底層數據結構？
兩方面原因：
- 數組和壓縮列表可以提升內存利用率，因為他們的數據結構緊湊
- 數組對CPU高速緩存支持友好，當數據元素超過閾值時，會轉為hash和跳表，保證查詢效率