Redis 给集合元素单独设置过期

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前言

一、场景

1.1 消费队列

1.2 Redis实现

二、常见的方案

2.1 为单独的 field 设置过期

2.2 设置整体过期时间

2.3 zset 结合 score实现

2.4 底层实现

2.4.1 ZipList 实现

2.4.2 SkipList 实现

2.5 代码实现

三、总结

前言

Redis 是一个开源的、内存中的数据结构存储系统，它可以用作数据库、缓存和消息代理。

在 Redis 中，集合（Set）是一种无序的数据类型，用于存储不重复的字符串元素。

虽然 Redis 的集合本身不支持为每个元素单独设置过期时间，但你可以通过一些技巧和策略来实现类似的功能。

一、场景

1.1 消费队列

最近，朋友在使用 Redis 时，脑中闪过一个创新的想法。他想用 Redis 的基础数据结构来构建一个简单版的延迟消费队列。

对于这个业务需求，我们需要设计一个状态图：

同时，我们需要确保队列的长度始终处于控制之中，例如，我们只允许用户拥有最多3个未支付的订单。

1.2 Redis实现

Redis，这款高性能的缓存和数据存储数据库，已经成为了后台开发者的得力助手。

假如我们要用 Redis 作为消费队列，我们可以考虑使用 List、Hash 和 Set 这三种数据结构。在这个业务场景中，由于我们主要关注的是 orderId（订单 ID），所以这三种数据结构都可以满足我们的需求。

例如，使用 hash 数据结构来存储数据时，我们可以设置 key 为 UnpaidOrder-{userId}，然后每个 field 对应一个订单。

然而，现在我们面临一个挑战：每个订单的存活时间不同，有手动消费和定期删除两种逻辑。

订单1，如果手动支付，需要从列表中删除 orderId1；
订单2，如果在半小时内未支付，就会自动过期，用户还可以继续提交订单到未支付状态。

这就意味着在 List、Set 或者 Hash 这三种结构中，每个 field 都需要设置单独的过期时间。

这是一个常见而又棘手的问题，本文将从互联网业务中常见的解决方案入手，深入探讨一下 Redis 的底层实现。

二、常见的方案

在开发过程中，我们经常会遇到一种情况：需要计算某些特定字段的数量，而这些字段的生存时间又各不相同。

比如说，我们需要在业务中计算用户的未支付订单数，但是每个订单的过期时间都不相同。

在这种情况下，我们需要手动删除已经过期的字段，或者设置它们自动过期。

2.1 为单独的 field 设置过期

Redis 里面暂时没有接口给 List、Set 或者 Hash 的 field 单独设置过期时间，只能给整个列表、集合或者 Hash 设置过期时间。

这样，当 List/Set/Hash 过期时，里面的所有 field 元素就全部过期了。

但这样并不满足需求。

除非你同时把 field 和过期时间都存下来，然后在程序里面判断它是否过期。

2.2 设置整体过期时间

我们首先可以考虑给整个 List/Set/Hash 设置过期时间。

这很难满足每个字段单独设置过期时间的需要。

既然每个订单的过期时间都不同，我们是否可以根据时间来创建不同的集合，将同一时间过期的订单放在同一个集合中：

然后，我们可以分别为不同的集合设置 TTL。当订单过期未支付时，订单会随着集合的过期而在同一分钟内被删除。

然而，这种方法也存在一些问题。每次新增订单时，我们需要遍历过去30分钟的集合，检查是否有该用户的订单，并判断用户的未支付订单数是否超限。

此外，按分钟创建集合可能存在一个问题：用户的订单可能在01秒就过期了，但在59秒才被删除。

如果按秒创建集合，30分钟将需要创建1800个集合，这使得管理变得更加困难。因此，为集合设置整体过期时间并不是一个可行的解决方案。

2.3 zset 结合 score实现

除了常见的 List/Set/Hash 结构，Redis 还拥有一个专门用于排序的数据结构 zset（Sorted Set，排序集合）。

基于 Redis 的 Zset 结构，我们可以利用 Score 来表示过期时间，从而轻松实现每个字段的独立过期。

具体实现方法如下：

每次新增待支付订单时，我们将当前时间的 Unix timestamp 加上过期时间 30min 作为 score 设置为该元素。这样，sorted set 会根据这个过期时间戳对元素进行排序和存储。
当订单被支付后，根据 userId 和 orderId 删除 sorted set 中的待支付订单。
同时，在程序中添加一个定时任务，每隔一秒删除当前时间已过期的订单。

2.4 底层实现

用 Redis 的 zset 一方面可以很方便地实现了对每个字段的单独过期，不再受整个 Key 的过期时间限制，提高了灵活性。

另一方面，Redis 的 zset 操作是十分高效的，不会给系统带来显著的性能压力。

这得益于 zset 底层的数据结构，Zset 底层实现采用了 ZipList（压缩列表）和 SkipList（跳表）两种实现方式，当满足：

Zset 中保存的元素个数小于 128（可通过修改 zset-max-ziplist-entries 配置来修改）
Zset 中保存的所有元素长度小于 64byte（通过修改 zset-max-ziplist-values 配置来修改）

两个条件时，Zset 采用 ZipList 实现；否则，用 SkipList 实现。

2.4.1 ZipList 实现

ZipList 是一个数组的形式，存储数据时分为列表头部分和数据部分，列表头部分有 3 个元素：

zlbytes：表示当前 list 的存储元素的总长度

zllen：表示当前 list 存储的元素的个数

zltail：表示当前 list 的头结点的地址，通过 zltail 就是可以实现 list 的遍历

数据部分以键值对的方式依次排列，键存储的是实际 member，值存储的是 member 对应的分值（score）。

2.4.2 SkipList 实现

SkipList 分为两部分：

dict 部分是由字典实现（其实就是 HashMap，里面放了成员到 score 的映射）；
zset 部分使用跳跃表实现（存放了所有的成员，解决了 HashMap 中 key 无序的问题）。

从图中可以看出，dict 和 zset 都存储数据。

但实际上 dict 和 zset 最终使用的指针都指向了同一份成员数据，即数据是被两部分共享的，为了方便表达将同一份数据展示在两个地方。

2.5 代码实现

当我们插入一个过期时间到 zset 时，Redis 会自动帮我们排好序，我们只需要在程序中新增一个定时任务，比如：每秒执行一次删除任务，删除时间戳从 0 到当前时间戳的 score 值即可。

伪代码如下：

# 1. 创建新的待支付订单时，查询zset个数
count = zcard UnpaidOrder-{userId}

# 2. 判断未支付订单个数
if count >= 3:
    return

# 3. 新增订单
zadd UnpaidOrder-{userId} redis.Z{Score: {timestamp1}, Member: {order1}}

# 4.1 订单支付后，从 set 中删除未支付订单
zrem UnpaidOrder-{userId} order1

# 4.2 过期时间到了，从 set 中删除未支付订单
zremrange UnpaidOrder-{userId} 0 {current_timestamp}