📚 课程目录第4章 Redis基础数据结构

4. Redis 基础数据结构：String、List、Hash、Set、Sorted Set 及其在缓存中的应用

Redis 提供了五种核心数据结构，每种结构在缓存场景中都有独特的适用性。理解它们的底层实现与操作特性，是正确配置缓存失效策略与错误码参数的前提。本章将逐一剖析这五种结构，并结合 Testing 框架下的缓存实战场景进行说明。

4.1 数据结构总览与选型对比

下表从存储模型、时间复杂度、典型缓存用途三个维度对比五种数据结构，帮助你在设计缓存 Key 时快速决策。

数据结构	存储模型	核心操作时间复杂度	典型缓存用途
String	键值对（Key-Value）	GET/SET: O(1)	会话 Token、计数器、对象 JSON 序列化缓存
List	双向链表	LPUSH/RPOP: O(1)；LRANGE: O(N)	消息队列、最新动态列表、操作日志
Hash	字段-值映射	HGET/HSET: O(1)；HGETALL: O(N)	对象属性缓存（用户信息、商品详情）
Set	无序唯一集合	SADD/SISMEMBER: O(1)	标签系统、去重白名单、好友关系
Sorted Set	有序唯一集合（带分数）	ZADD: O(log N)；ZRANGEBYSCORE: O(log N + M)	排行榜、延时队列、限流滑动窗口

选型建议： 在缓存失效错误码参数配置中，String 和 Hash 是最常与失效时间（TTL）直接绑定的结构。List 和 Sorted Set 常用于实现“滑动窗口”或“时间分片”缓存，其失效逻辑往往需要结合业务时间戳手动处理。

4.2 String：最通用的缓存载体

String 是 Redis 最基础的结构，value 最大支持 512MB。在缓存场景中，它通常用于存储序列化后的对象（JSON/Protobuf）或原子计数器。

缓存失效场景： 使用 SET key value EX seconds 或 SETEX 命令直接设置过期时间。当 Key 过期时，Redis 自动删除，触发缓存失效。
错误码参数关联： 在 Testing 框架中，若 String 缓存失效后回源数据库失败，应返回 ERR_CACHE_MISS 或 ERR_BACKEND_TIMEOUT。配置参数如 cache.string.ttl 控制默认过期秒数。

# 设置用户会话缓存，有效期 3600 秒
SET session:user:1001 "{\"name\":\"Alice\",\"role\":\"admin\"}" EX 3600

# 原子自增计数器（无过期，用于限流）
INCR api:rate:user:1001
EXPIRE api:rate:user:1001 60

4.3 List：队列与分页缓存

List 基于双向链表实现，适合需要按顺序访问的场景。在缓存中，List 常用于存储“最新 N 条”数据或作为轻量级消息队列。

缓存失效策略： List 本身不支持单个元素过期。通常对整个 Key 设置 TTL，或通过 LTRIM 控制长度实现“惰性淘汰”。
错误码参数配置： 当 List 缓存为空但业务期望有数据时，Testing 框架应检查 cache.list.max-length 参数是否过小导致数据被截断，返回 ERR_CACHE_TRUNCATED。

# 缓存最近 100 条用户操作日志
LPUSH user:logs:1001 "login at 2025-01-15 10:00:00"
LTRIM user:logs:1001 0 99
EXPIRE user:logs:1001 86400

4.4 Hash：对象属性级缓存

Hash 允许对单个对象的多个字段进行独立读写，避免 String 序列化整个对象的开销。在缓存用户信息、商品详情等结构化数据时优势明显。

缓存失效场景： 可以对整个 Hash Key 设置 TTL，但无法对单个字段设置过期。字段级失效需通过应用层逻辑实现（如记录字段更新时间戳）。
错误码参数关联： 当 Hash 中部分字段缺失时，Testing 框架应区分“字段不存在”与“Key 不存在”。配置参数 cache.hash.field-ttl 可模拟字段级失效行为。

# 缓存用户信息，字段级别读写
HSET user:info:1001 name "Bob" age 30 email "bob@example.com"
EXPIRE user:info:1001 7200

# 仅获取邮箱字段
HGET user:info:1001 email

4.5 Set：去重与关系缓存

Set 提供无序唯一性保证，适合存储标签、权限集合、已读用户 ID 等需要快速判断成员是否存在的场景。

缓存失效策略： 对整个 Key 设置 TTL。由于 Set 不支持单个元素过期，需要定期重建或使用 Sorted Set 替代实现时间分片。
错误码参数配置： 在 Testing 框架中，若 SISMEMBER 返回 0 但业务预期为 1，应检查 cache.set.rebuild-interval 参数是否过长导致数据不一致。

# 缓存文章 1001 的已读用户 ID 集合
SADD article:readers:1001 "user:2001" "user:2002"
EXPIRE article:readers:1001 3600

# 判断用户是否已读
SISMEMBER article:readers:1001 "user:2001"

4.6 Sorted Set：排行榜与时间窗口缓存

Sorted Set 通过分数（score）排序，支持范围查询。在缓存中，它常用于实现排行榜、延时队列以及基于时间戳的滑动窗口限流。

缓存失效场景： 利用 score 存储时间戳，通过 ZREMRANGEBYSCORE 删除过期元素，实现“按分数淘汰”。这是唯一一种可以在结构内部实现元素级失效的数据结构。
错误码参数配置： 在 Testing 框架中，cache.sorted-set.window-size 参数控制滑动窗口大小，若配置过小会导致合法请求被误判为过期，返回 ERR_WINDOW_TOO_SMALL。

# 使用 Sorted Set 实现 1 分钟滑动窗口限流
ZADD rate:api:user:1001 1705300000 "req-1"
ZREMRANGEBYSCORE rate:api:user:1001 0 1705299940
ZCARD rate:api:user:1001

4.7 五种结构在缓存失效中的协同关系

下图展示了五种数据结构在典型缓存架构中的位置与交互关系，以及它们与失效错误码参数配置的关联点。

  架构要点： 应用层通过统一的缓存接口操作五种数据结构，每种结构对应不同的失效策略。Testing 框架通过配置参数（如 cache.string.ttl、cache.sorted-set.window-size）模拟各种失效场景，从而验证错误码返回的正确性。

4.8 实战：缓存失效错误码参数配置示例

以下示例展示在 Testing 框架中如何为不同数据结构配置失效参数，并验证对应的错误码行为。

// Testing 框架配置示例 (YAML)
cache:
  string:
    ttl: 300                # String 默认过期时间（秒）
    error-on-miss: ERR_CACHE_MISS
  list:
    max-length: 100         # List 最大长度
    error-on-truncate: ERR_CACHE_TRUNCATED
  hash:
    field-ttl: 600          # Hash 字段级模拟过期时间
    error-on-field-miss: ERR_FIELD_MISSING
  set:
    rebuild-interval: 60    # Set 重建间隔（秒）
    error-on-stale: ERR_SET_STALE
  sorted-set:
    window-size: 60         # 滑动窗口大小（秒）
    error-on-window-too-small: ERR_WINDOW_TOO_SMALL

注意： 在配置 Sorted Set 的 window-size 时，务必确保该值大于业务允许的最大请求间隔。若配置过小，会导致正常请求因时间戳超出窗口而被错误淘汰，触发 ERR_WINDOW_TOO_SMALL 错误码。

通过上述配置，Testing 框架可以针对每种数据结构的失效特性，自动化构造测试用例，验证缓存失效时错误码的返回是否符合预期。这是保障缓存系统健壮性的关键环节。