3. Redis 基本数据结构（上）：String 类型详解
Redis 提供了五种核心数据结构，其中 String（字符串） 是最基础、应用最广泛的一种。String 类型可以存储字符串、整数、浮点数，甚至二进制数据（如图片序列化后的字节流），最大容量为 512 MB。本章将深入解析 String 类型的底层实现、常用命令及其三大经典应用场景。
3.1 String 类型底层结构
Redis 的 String 并非简单的 C 字符串，而是采用 SDS（Simple Dynamic String，简单动态字符串） 结构。SDS 在 C 字符串的基础上增加了 len（已用长度）和 free（未用空间）字段，实现了 O(1) 长度获取、预分配空间、惰性空间释放等优化，有效避免了缓冲区溢出问题。
核心优势： SDS 是二进制安全的，可以存储包含
\0 的任意二进制数据，而 C 字符串以 \0 结尾，无法处理此类数据。
3.2 常用命令详解
String 类型的命令分为基础操作、数值操作和批量操作三类。下表列出了最常用的命令及其时间复杂度：
| 命令 | 语法 | 时间复杂度 | 说明 |
|---|---|---|---|
| SET | SET key value [NX|XX] [EX seconds|PX milliseconds] |
O(1) | 设置指定 key 的值；支持 NX（不存在时设置）、XX（存在时设置）、EX（秒级过期）、PX（毫秒级过期） |
| GET | GET key |
O(1) | 获取指定 key 的值；key 不存在返回 nil |
| INCR | INCR key |
O(1) | 将 key 中存储的数字值加 1；如果 key 不存在，则先初始化为 0 再执行 INCR |
| DECR | DECR key |
O(1) | 将 key 中存储的数字值减 1；如果 key 不存在，则先初始化为 0 再执行 DECR |
| INCRBY | INCRBY key increment |
O(1) | 将 key 中存储的数字值加上指定的增量 |
| DECRBY | DECRBY key decrement |
O(1) | 将 key 中存储的数字值减去指定的减量 |
| MSET | MSET key1 value1 [key2 value2 ...] |
O(N) | 批量设置多个 key-value 对，原子操作 |
| MGET | MGET key1 [key2 ...] |
O(N) | 批量获取多个 key 的值 |
| GETSET | GETSET key value |
O(1) | 设置新值并返回旧值，常用于原子性的计数器重置 |
| STRLEN | STRLEN key |
O(1) | 返回 key 所存储的字符串值的长度 |
3.2.1 基础操作示例
# 设置缓存
SET user:1001:name "Alice" EX 3600
# 获取缓存
GET user:1001:name
# 输出: "Alice"
# 使用 NX 选项实现"不存在则设置"
SET lock:order:12345 "locked" NX EX 30
# 如果 key 不存在，设置成功返回 OK；如果已存在，返回 nil
# 批量操作
MSET user:1001:age 30 user:1002:age 25
MGET user:1001:age user:1002:age
# 输出: 1) "30" 2) "25"
3.2.2 数值操作示例
# 初始化计数器
SET page:view:home 0
# 自增
INCR page:view:home
# 输出: (integer) 1
# 指定增量
INCRBY page:view:home 10
# 输出: (integer) 11
# 自减
DECR page:view:home
# 输出: (integer) 10
# 原子性获取并重置
GETSET page:view:home 0
# 输出: "10" (返回旧值，同时重置为 0)
注意： INCR/DECR 操作是原子性的，底层通过 Redis 单线程模型保证并发安全。但如果 value 不是整数（如包含字母），执行 INCR 会返回错误
(error) ERR value is not an integer or out of range。
3.3 三大经典应用场景
String 类型凭借其简单、高效、原子性的特点，支撑了 Redis 最核心的三种应用模式。下图展示了这三种场景的架构关系：
3.4 场景一：缓存
缓存是 Redis 最普遍的应用。String 类型配合 SET 的过期时间参数，可以轻松实现 缓存 + 自动失效 机制。
3.4.1 缓存工作流程
- 读请求：先查询 Redis，命中则直接返回；未命中则查询数据库。
- 回写缓存：从数据库查询到数据后，写入 Redis 并设置过期时间。
- 缓存失效：过期后自动删除，下次请求重新加载。
// 伪代码示例：用户信息缓存
public User getUserById(String userId) {
// 1. 查询缓存
String userJson = redis.get("user:" + userId);
if (userJson != null) {
return JSON.parse(userJson, User.class);
}
// 2. 缓存未命中，查询数据库
User user = userDao.findById(userId);
if (user != null) {
// 3. 回写缓存，过期时间 1 小时
redis.set("user:" + userId, JSON.stringify(user), "EX", 3600);
}
return user;
}
最佳实践： 缓存 key 的命名建议采用
业务:对象类型:ID:字段 的格式，如 user:1001:profile，便于管理和避免冲突。
3.5 场景二：计数器
Redis 单线程模型保证了 INCR/DECR 的原子性，非常适合高并发计数场景。
3.5.1 典型应用
| 场景 | 实现方式 | 关键命令 |
|---|---|---|
| 页面 PV/UV 统计 | 每个页面一个 key，每次访问 INCR | INCR page:pv:home |
| 文章点赞/收藏数 | 每篇文章一个 key，点赞 INCR，取消点赞 DECR | INCR article:like:10086 |
| 接口限流（令牌桶） | 每个用户/接口一个 key，每次请求 INCR，超过阈值拒绝 | INCR rate:limit:user:1001 + EXPIRE |
| 生成唯一递增 ID | 使用 INCR 生成全局唯一序列号 | INCR global:id:order |
# 限流示例：1 分钟内最多允许 100 次请求
SET rate:limit:user:1001 0 NX EX 60 # 初始化，过期时间 60 秒
INCR rate:limit:user:1001 # 每次请求自增
# 判断返回值是否超过 100，超过则拒绝请求
3.6 场景三：分布式锁
在分布式系统中，多个进程需要互斥访问共享资源。Redis 利用 SET NX EX 的原子性，可以高效实现分布式锁。
3.6.1 加锁与解锁流程
# 加锁：key 不存在时设置成功，返回 OK；已存在则失败
SET lock:order:12345 "thread-1" NX EX 30
# 解锁：使用 Lua 脚本保证原子性，防止误删其他线程的锁
# 脚本内容：先判断 value 是否为本线程标识，是则删除
if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call("DEL", KEYS[1])
else
return 0
end
3.6.2 分布式锁关键设计点
- 原子性：
SET NX EX是一条命令，避免了“先判断再设置”的竞态条件。 - 自动过期：设置过期时间防止死锁（如持有锁的进程崩溃）。
- 唯一标识：value 存储线程/请求的唯一 ID，解锁时校验，防止误删其他线程的锁。
- Lua 脚本：解锁操作使用 Lua 脚本保证“判断+删除”的原子性。
生产环境注意： 简单的 SET NX 锁在 Redis 主从切换时可能出现锁丢失问题。生产环境建议使用 Redlock 算法或 Redis 官方推荐的 Redisson 客户端，它们提供了更可靠的分布式锁实现。
3.7 本章小结
String 类型是 Redis 数据结构的基石，其 SDS 底层设计保证了高性能和二进制安全。通过 SET/GET/INCR/DECR 等命令，String 可以灵活支撑缓存、计数器、分布式锁三大核心场景。掌握 String 类型，就掌握了 Redis 应用的一半精髓。