第3课: 字符串操作

SET、GET、INCR、DECR、APPEND、GETRANGE等

String类型深入解析

String是Redis最基础也是最常用的数据类型。虽然名为"字符串"，但它实际上是二进制安全的，可以存储任何类型的数据，包括文本、数字、序列化对象、甚至图片。一个String类型的值最大可以存储512MB的数据。

String的底层实现

Redis使用SDS（Simple Dynamic String，简单动态字符串）来实现String类型，相比C语言的字符串，SDS有以下优势：

O(1)时间复杂度获取长度：SDS结构中保存了字符串长度
杜绝缓冲区溢出：修改前会检查空间是否足够
减少内存重分配次数：空间预分配和惰性空间释放策略
二进制安全：可以存储任意二进制数据

基本读写操作

示例1：SET和GET命令

# 基本的设置和获取
127.0.0.1:6379> SET name "张三"
OK
127.0.0.1:6379> GET name
"张三"

# SET命令的选项
# NX: 键不存在时才设置（Not eXists）
127.0.0.1:6379> SET lock:order:123 "locked" NX
OK
127.0.0.1:6379> SET lock:order:123 "locked" NX
(nil)  # 键已存在，设置失败

# XX: 键存在时才设置（eXists）
127.0.0.1:6379> SET config:version "1.0" XX
(nil)  # 键不存在，设置失败
127.0.0.1:6379> SET name "李四" XX
OK  # 键存在，设置成功

# EX: 设置过期时间（秒）
127.0.0.1:6379> SET session:user123 "token_abc" EX 3600
OK

# PX: 设置过期时间（毫秒）
127.0.0.1:6379> SET cache:data "value" PX 60000
OK

# EXAT: 设置过期时间戳（秒）
127.0.0.1:6379> SET reminder "meeting" EXAT 1675234567
OK

# GET选项：设置新值并返回旧值
127.0.0.1:6379> SET counter 100
OK
127.0.0.1:6379> SET counter 200 GET
"100"

示例2：SETNX和SETEX命令

# SETNX: SET if Not eXists（原子操作）
127.0.0.1:6379> SETNX lock:resource:1 "process_a"
(integer) 1  # 设置成功
127.0.0.1:6379> SETNX lock:resource:1 "process_b"
(integer) 0  # 设置失败，键已存在

# SETEX: SET with EXpire（原子操作）
127.0.0.1:6379> SETEX verification:code 300 "123456"
OK
127.0.0.1:6379> TTL verification:code
(integer) 295

# PSETEX: 毫秒级过期时间
127.0.0.1:6379> PSETEX flash:message 5000 "操作成功"
OK

示例3：批量操作MSET和MGET

# MSET: 批量设置（原子操作）
127.0.0.1:6379> MSET user:1:name "Alice" user:1:age 28 user:1:city "北京"
OK

# MGET: 批量获取
127.0.0.1:6379> MGET user:1:name user:1:age user:1:city
1) "Alice"
2) "28"
3) "北京"

# MSETNX: 批量设置（仅当所有键都不存在时）
127.0.0.1:6379> MSETNX key1 "value1" key2 "value2" key3 "value3"
(integer) 1  # 全部设置成功

127.0.0.1:6379> MSETNX key1 "new1" key4 "value4"
(integer) 0  # key1已存在，全部设置失败

# 性能对比：批量操作 vs 单次操作
# 单次操作：需要3次网络往返
SET user:1:name "Alice"
SET user:1:age 28
SET user:1:city "北京"

# 批量操作：只需1次网络往返
MSET user:1:name "Alice" user:1:age 28 user:1:city "北京"

数值操作

示例4：INCR和DECR命令

# INCR: 自增1（原子操作）
127.0.0.1:6379> SET page:views 1000
OK
127.0.0.1:6379> INCR page:views
(integer) 1001
127.0.0.1:6379> INCR page:views
(integer) 1002

# DECR: 自减1（原子操作）
127.0.0.1:6379> SET stock:product:123 50
OK
127.0.0.1:6379> DECR stock:product:123
(integer) 49

# INCRBY: 增加指定值
127.0.0.1:6379> INCRBY page:views 100
(integer) 1102

# DECRBY: 减少指定值
127.0.0.1:6379> DECRBY stock:product:123 5
(integer) 44

# INCRBYFLOAT: 增加浮点数
127.0.0.1:6379> SET price:product:456 99.99
OK
127.0.0.1:6379> INCRBYFLOAT price:product:456 10.01
"110"
127.0.0.1:6379> INCRBYFLOAT price:product:456 -5.5
"104.5"

# 键不存在时，默认从0开始
127.0.0.1:6379> INCR new:counter
(integer) 1

示例5：计数器应用场景

# 1. 网站访问统计
127.0.0.1:6379> INCR stats:page:home:views
(integer) 1
127.0.0.1:6379> INCR stats:page:home:views
(integer) 2

# 2. 文章点赞数
127.0.0.1:6379> INCR article:1001:likes
(integer) 1

# 3. 库存扣减（秒杀场景）
127.0.0.1:6379> SET product:888:stock 100
OK
127.0.0.1:6379> DECR product:888:stock
(integer) 99
127.0.0.1:6379> GET product:888:stock
"99"

# 4. 限流器（固定窗口）
127.0.0.1:6379> SET rate:user:1001:20240101 0 EX 60
OK
127.0.0.1:6379> INCR rate:user:1001:20240101
(integer) 1
# 检查是否超过限制
127.0.0.1:6379> GET rate:user:1001:20240101
"1"

# 5. 分布式ID生成器
127.0.0.1:6379> INCR global:order:id
(integer) 1
127.0.0.1:6379> INCR global:order:id
(integer) 2

字符串操作

示例6：APPEND和STRLEN命令

# APPEND: 追加字符串
127.0.0.1:6379> SET message "Hello"
OK
127.0.0.1:6379> APPEND message " World"
(integer) 11  # 返回追加后的长度
127.0.0.1:6379> GET message
"Hello World"

# 键不存在时，APPEND等同于SET
127.0.0.1:6379> APPEND new:key "value"
(integer) 5

# STRLEN: 获取字符串长度
127.0.0.1:6379> STRLEN message
(integer) 11

# 中文字符长度（UTF-8编码）
127.0.0.1:6379> SET chinese "你好世界"
OK
127.0.0.1:6379> STRLEN chinese
(integer) 12  # 每个中文字符占3个字节

示例7：GETRANGE和SETRANGE命令

# GETRANGE: 获取子字符串（索引从0开始）
127.0.0.1:6379> SET text "Hello Redis World"
OK
127.0.0.1:6379> GETRANGE text 0 4
"Hello"
127.0.0.1:6379> GETRANGE text 6 10
"Redis"

# 负数索引表示从末尾开始
127.0.0.1:6379> GETRANGE text -5 -1
"World"

# 获取全部内容
127.0.0.1:6379> GETRANGE text 0 -1
"Hello Redis World"

# SETRANGE: 替换字符串的一部分
127.0.0.1:6379> SETRANGE text 6 "Python"
(integer) 18  # 返回修改后的长度
127.0.0.1:6379> GET text
"Hello Python World"

# 超出原字符串长度时，中间用\x00填充
127.0.0.1:6379> SET short "Hi"
OK
127.0.0.1:6379> SETRANGE short 10 "End"
(integer) 13
127.0.0.1:6379> GET short
"Hi\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00End"

示例8：GETSET命令（已废弃，使用SET GET代替）

# GETSET: 设置新值并返回旧值（原子操作）
127.0.0.1:6379> SET counter 100
OK
127.0.0.1:6379> GETSET counter 200
"100"
127.0.0.1:6379> GET counter
"200"

# 推荐使用SET GET选项（Redis 6.2+）
127.0.0.1:6379> SET counter 300 GET
"200"

高级应用场景

示例9：分布式锁实现

# 获取锁（使用SET NX EX）
127.0.0.1:6379> SET lock:order:123 "uuid-abc-123" NX EX 30
OK  # 获取锁成功

# 其他进程尝试获取锁
127.0.0.1:6379> SET lock:order:123 "uuid-def-456" NX EX 30
(nil)  # 获取锁失败

# 释放锁（需要验证是否是自己的锁）
# 使用Lua脚本保证原子性
127.0.0.1:6379> EVAL "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end" 1 lock:order:123 "uuid-abc-123"
(integer) 1  # 释放成功

# Python实现示例
import redis
import uuid

r = redis.Redis()
lock_key = "lock:order:123"
lock_value = str(uuid.uuid4())

# 获取锁
if r.set(lock_key, lock_value, nx=True, ex=30):
    try:
        # 执行业务逻辑
        print("处理订单...")
    finally:
        # 释放锁
        lua_script = """
        if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
            return redis.call('del', KEYS[1])
        else
            return 0
        end
        """
        r.eval(lua_script, 1, lock_key, lock_value)

示例10：缓存对象（JSON序列化）

# 存储用户对象
127.0.0.1:6379> SET user:1001 '{"id":1001,"name":"张三","age":25,"city":"北京"}'
OK

# 获取用户对象
127.0.0.1:6379> GET user:1001
"{\"id\":1001,\"name\":\"张三\",\"age\":25,\"city\":\"北京\"}"

# Python实现
import redis
import json

r = redis.Redis(decode_responses=True)

# 存储对象
user = {"id": 1001, "name": "张三", "age": 25, "city": "北京"}
r.set("user:1001", json.dumps(user, ensure_ascii=False))

# 获取对象
user_json = r.get("user:1001")
user = json.loads(user_json)
print(user["name"])  # 输出: 张三

示例11：Session存储

# 存储Session（带过期时间）
127.0.0.1:6379> SETEX session:abc123def 3600 '{"user_id":1001,"username":"zhangsan","login_time":1675234567}'
OK

# 获取Session
127.0.0.1:6379> GET session:abc123def
"{\"user_id\":1001,\"username\":\"zhangsan\",\"login_time\":1675234567}"

# 检查Session是否存在
127.0.0.1:6379> EXISTS session:abc123def
(integer) 1

# 续期Session
127.0.0.1:6379> EXPIRE session:abc123def 3600
(integer) 1

# 删除Session（登出）
127.0.0.1:6379> DEL session:abc123def
(integer) 1

示例12：限流器实现

# 固定窗口限流（每分钟最多100次请求）
import redis
import time

r = redis.Redis()

def is_allowed(user_id, max_requests=100, window=60):
    key = f"rate:user:{user_id}:{int(time.time() // window)}"
    current = r.incr(key)

    if current == 1:
        r.expire(key, window)

    return current <= max_requests

# 测试
user_id = 1001
if is_allowed(user_id):
    print("请求通过")
else:
    print("请求被限流")

# Redis命令演示
127.0.0.1:6379> INCR rate:user:1001:28087057
(integer) 1
127.0.0.1:6379> EXPIRE rate:user:1001:28087057 60
(integer) 1
127.0.0.1:6379> INCR rate:user:1001:28087057
(integer) 2
127.0.0.1:6379> GET rate:user:1001:28087057
"2"

String命令总结

命令	功能	时间复杂度	应用场景
SET/GET	设置/获取值	O(1)	缓存、配置
MSET/MGET	批量设置/获取	O(N)	批量缓存
INCR/DECR	自增/自减	O(1)	计数器、库存
APPEND	追加字符串	O(1)	日志追加
GETRANGE	获取子串	O(N)	分页内容
SETRANGE	替换子串	O(1)	部分更新
STRLEN	获取长度	O(1)	长度验证

重要提示：

原子性：INCR、DECR、SETNX等命令都是原子操作，适合并发场景
过期时间：使用SETEX或SET EX设置过期时间，避免内存泄漏
批量操作：使用MSET/MGET减少网络往返，提升性能
分布式锁：使用SET NX EX实现，释放锁时需验证所有权
大value：避免存储过大的值（建议<10KB），影响性能
键命名：使用冒号分隔的命名规范，如user:1001:profile

实践练习

练习任务：

基础操作：使用SET、GET命令存储和获取10个不同的键值对，包含字符串和数字
批量操作：使用MSET一次性设置20个用户信息，然后用MGET批量获取
计数器：创建一个网站访问计数器，模拟100次访问，使用INCR命令
字符串操作：使用APPEND、GETRANGE、SETRANGE命令操作一个长字符串
分布式锁：使用SET NX EX实现一个简单的分布式锁，模拟多个进程竞争
限流器：实现一个固定窗口限流器，限制每分钟最多10次请求
Session管理：使用SETEX存储Session，设置30分钟过期时间

总结

本课程深入讲解了Redis String类型的各种操作命令：

基本操作：SET、GET、MSET、MGET等命令的使用和选项
数值操作：INCR、DECR、INCRBY、INCRBYFLOAT等原子操作
字符串操作：APPEND、STRLEN、GETRANGE、SETRANGE等
实战应用：分布式锁、缓存、Session、限流器等场景

String是Redis最基础的数据类型，掌握其各种操作命令和应用场景，是使用Redis的基础。在实际开发中，要根据业务需求选择合适的命令，注意原子性、过期时间和性能优化。

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