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Welcome to the fastrq wiki!
队列、堆栈和优先队列是编程中常见的数据结构。本文首先简单介绍一下这几种数据结构,然后介绍如何用Redis实现这些数据结构。
普通队列有以下几个特性
- 先进先出(FIFO)
- 支持PUSH/POP,PUSH从尾端增加元素,POP从前端弹出元素
- 容量不受限制
从普通队列可以衍生出定长队列,它比普通队列多出以下特性
- 有固定的容量(最大长度)
- 向满载的队列PUSH会失败
从定长队列可以衍生出可溢出的定长队列,它比定长队列多出以下特性
- 向满载的队列PUSH会成功,但前端的元素会被挤出
以上三种队列都是单向队列,只能从尾端PUSH,从前端POP。它们又分别可以衍生出各自的双向版本。
双向 队列/定长队列/可溢出的定长队列
比单向版本多处以下特性
- PUSH/POP均可以从前端/后端进行
- 对于可溢出的双向队列,满载时从一端PUSH,会从另一端将元素挤出
普通堆栈有以下特性
- 后进先出 (LIFO)
- 支持PUSH/POP,从尾端追加/弹出元素
- 容量不受限制
衍生出的定长堆栈多处以下特性
- 容量固定
- 向满载的堆栈PUSH会失败
定长堆栈没有可溢出版本,因为堆栈只能从尾端PUSH/POP。
和普通队列相比,优先队列中的元素都有一个优先级,队列中的元素按优先级排序,优先级高的元素先被弹出。类似队列,优先队列有三种版本,他们的特性也类似队列。
- 普通优先队列
- 定长优先队列
- 可溢出的定长优先队列
其中可溢出的优先队列,满载时的PUSH操作会将优先级低的元素挤出。
队列和堆栈都可以用Redis的list数据类型实现,因为list支持以下操作
- lpush/rpush,从左侧/右侧追加元素
- lpop/rpop,从左侧/右侧弹出元素
- llen,获取队列的长度
- lindex,获取某个位置的元素
定长和可溢出版本,Redis原生的list类型无法实现,需要写一点代码实现它们。Redis支持Lua脚本编程,我们就用它来实现这些版本。
优先队列可以用Redis的ZSET(SORTED SET)数据类型实现,ZSET为有序集合,集合中的元素都有一个分值,分值越低优先级越高。我们同样用Lua脚本实现定长和可溢出版本。ZSET支持以下操作
- zadd,向集合增加元素
- zrange,按优先级范围获取元素
- zrem,从集合中删除元素
rpush + lpop即可实现一个普通队列。
对于定长队列,push前需检查队列长度,如果满载则返回错误码,否则追加元素。
对于可溢出的定长队列,push后检查队列长度,如果长度超出容量,则从前端将元素弹出。
堆栈和双向队列的实现细节与之类似。
- PUSH操作用zadd实现
- POP操作用zrange + zrem实现
为了充分利用Redis的强大之处,我们还可以增加一些有趣的特性
- 所有的操作都是原子的
- 队列批量PUSH:list的push命令原生支持批量追加元素,而且时间复杂度为O(1)
- 队列批量POP:list的pop命令不支持批量弹出,需要我们用循环实现批量POP
- 优先队列批量PUSH:zset的zadd命令支持批量追加元素
- 优先队列批量POP:zrange批量获取 + zrem循环删除
- 检查元素是否在队列中:lindex获取某个位置的元素,循环检查即可得到结果
- 检查元素是否在优先队列中:zrank获取某个元素的优先级顺序,即可得到结果
- 只有某个元素不在队列中时才PUSH,类似Redis的setnx命令
- 只有队列不存在时才PUSH
- 只有队列存在时才PUSH
我们看一下如何用Lua脚本实现可溢出的定长队列
PUSH
local cap=tonumber(ARGV[1])
for i,k in ipairs(ARGV) do
if i > 1 then
redis.call('rpush',KEYS[1],k)
end
end
local len=redis.call('llen',KEYS[1])
local o={}
while len > cap do
o[#o + 1]=redis.call('lpop',KEYS[1])
len=len - 1
end
return { len,o }
POP
local o={}
for i=1,tonumber(ARGV[1]) do
o[#o + 1]=redis.call('lpop',KEYS[1])
end
return o