Redis 数据类型：Hash详解

一、Hash 类型简介

Redis 中的 Hash 类型是一个键值对（key-value pair）集合，其特殊之处在于它的值（value）本身也是一个键值对的集合，形式如：value=[{field1, value1}, {field2, value2}, ..., {fieldN, valueN}]。这种结构使得 Hash 类型非常适合用来存储对象及其属性。

与直接将对象序列化为 JSON 字符串后存入 String 类型相比，Hash 类型允许对对象中的单个字段进行独立的读写操作，而无需读取和反序列化整个对象，这在某些场景下可以提供更高的效率和灵活性。

下图展示了 Hash 与 String 对象在存储对象时的概念性区别：

图1: Redis Hash 与 String 存储对象对比

二、内部实现

Hash 类型的底层数据结构主要依赖于两种实现方式：压缩列表（ziplist）/ listpack 和 哈希表（hashtable）。Redis 会根据存储的数据规模动态选择：

压缩列表 (ziplist) / listpack:
- 当哈希对象中包含的键值对数量较少，并且所有键（field）和值（value）的字符串长度都较短时，Redis 会采用压缩列表（ziplist）来存储 Hash。
- 具体阈值由以下两个配置参数决定：
  - hash-max-ziplist-entries：哈希对象包含的键值对数量上限（默认值为 512）。
  - hash-max-ziplist-value：哈希对象中每个值（value）的字节长度上限（默认值为 64 字节）。
- 重要演进：在 Redis 7.0 及更高版本中，ziplist 已被更优化的 listpack 数据结构所取代。listpack 解决了 ziplist 在更新操作时可能引发连锁更新（cascade update）的问题，提高了性能和空间效率。因此，在现代 Redis 版本中，当满足上述条件时，底层使用的是 listpack。
哈希表 (hashtable):
- 如果哈希对象中的键值对数量超过 hash-max-ziplist-entries，或者任一键或值的长度超过 hash-max-ziplist-value，Redis 则会自动将底层数据结构转换为哈希表（也称为字典，dict）。
- 哈希表通过链式哈希解决冲突，并在负载因子达到一定阈值时进行动态扩容（rehash），以保证查询效率。

这种动态切换底层数据结构的设计，旨在平衡内存使用和操作效率。对于小型 Hash 对象，listpack（或早期的 ziplist）能有效节省内存；而对于大型 Hash 对象，哈希表则能提供更高效的查找、插入和删除操作。

三、常用命令

以下是 Redis Hash 类型的一些常用操作命令：

# 设置单个 field 的值
HSET key field value

# 获取单个 field 的值
HGET key field

# 一次性设置多个 field 的值
HMSET key field1 value1 [field2 value2 ...]

# 一次性获取多个 field 的值
HMGET key field1 [field2 value2 ...]

# 删除一个或多个 field
HDEL key field1 [field2 ...]

# 获取哈希表中 field 的数量
HLEN key

# 获取哈希表中所有的 field 和 value
HGETALL key

# 获取哈希表中所有的 field
HKEYS key

# 获取哈希表中所有的 value
HVALS key

# 判断哈希表中指定 field 是否存在
HEXISTS key field

# 为哈希表 key 中指定 field 的整数值加上增量 increment
HINCRBY key field increment

# 为哈希表 key 中指定 field 的浮点数值加上增量 increment
HINCRBYFLOAT key field increment

# 获取哈希表中指定 field 的字符串长度
HSTRLEN key field

注意事项:

HMSET 在较新版本的 Redis 中已被 HSET 取代（HSET 现在可以一次设置多个字段）。但为了兼容性，HMSET 仍然可用。
HGETALL 命令在哈希对象很大时可能会阻塞 Redis 服务器，因为它需要遍历整个哈希表。对于大型哈希，应谨慎使用，或考虑使用 HSCAN 命令进行分批迭代。

四、应用场景

Hash 类型因其结构特性，在多种场景下都有广泛应用。

1. 缓存对象信息

Hash 类型的 (key, field, value) 结构与程序中对象的 (对象标识, 属性名, 属性值) 结构天然对应，因此非常适合用来缓存对象信息。

例如，一个用户信息对象在关系型数据库中的结构可能如下：

图2: 用户信息表结构示例

我们可以使用 Hash 类型来存储这些用户信息：

# 存储用户ID为1的信息
> HSET user:1 name "Tom" age 25 email "tom@example.com"
(integer) 3

# 存储用户ID为2的信息
> HSET user:2 name "Jerry" age 22 city "New York"
(integer) 3

# 获取用户ID为1的所有信息
> HGETALL user:1
1) "name"
2) "Tom"
3) "age"
4) "25"
5) "email"
6) "tom@example.com"

# 获取用户ID为2的姓名和城市
> HMGET user:2 name city
1) "Jerry"
2) "New York"

Redis Hash 存储其结构如下图所示：

图3: Redis Hash 存储对象结构示例

与 String + JSON 对比:

虽然将对象序列化为 JSON 字符串后存储在 String 类型中也是一种常见的缓存对象的方式，但 Hash 类型在以下方面具有优势：

部分更新: 如果只需要修改对象的某个属性，使用 Hash 可以直接通过 HSET 更新该字段，而无需读取、反序列化、修改再序列化、写回整个 JSON 对象。
字段级原子操作: Hash 提供了如 HINCRBY 这样的原子操作，可以直接对对象属性进行原子增减。
可读性: 直接存储字段名和值，在 Redis 客户端中查看数据时可能更直观。

选择策略:

对于需要频繁更新对象部分属性，或者需要对属性进行原子操作的场景，Hash 类型是更好的选择。
如果对象属性不常变动，或者总是需要整体读写对象，String + JSON 的方式可能更简单，序列化/反序列化的开销在某些情况下也可以接受。
一种混合策略是：将对象的主要、不常变动的属性用 String + JSON 存储，而将频繁变动或需要原子操作的属性（如计数器）单独用 Hash 存储，或者存储在同一个 Hash 的不同字段中。

2. 购物车实现

购物车功能是 Hash 类型的另一个经典应用场景。我们可以将用户 ID 作为 key，商品 ID 作为 field，商品数量作为 value。

图4: 购物车使用 Hash 存储示例

购物车相关操作命令示例：

添加商品到购物车/增加商品数量:

1 2	# 如果商品已存在，则数量加1；如果不存在，则添加商品，数量为1 HINCRBY cart:user123 product:1001 1

减少商品数量:

1 2	# 数量减1。如果减到0或以下，可能需要后续逻辑HDEL删除该商品 HINCRBY cart:user123 product:1001 -1

直接设置商品数量:
1
HSET cart:user123 product:1002 5
获取购物车中商品总数（种类数）:
1
HLEN cart:user123
删除购物车中指定商品:
1
HDEL cart:user123 product:1001
获取购物车中所有商品及其数量:
1
HGETALL cart:user123
清空购物车:
1
DEL cart:user123

注意:
这种方式只在 Redis 中存储了商品 ID 和数量。在向用户展示购物车时，通常还需要根据商品 ID 从数据库或其他服务查询商品的详细信息（如名称、价格、图片等）。

五、总结

Redis 的 Hash 类型提供了一种高效存储和操作结构化数据的方式，特别适合表示对象。其底层的 listpack (或 ziplist) 和哈希表动态转换机制，使其在不同数据规模下都能保持较好的性能和内存效率。理解其内部实现和常用命令，有助于在实际应用中更好地利用 Hash 类型解决问题，如对象缓存、购物车管理等。