post: redis ordered set & kmp algorithm

Author: Starslayerx

content/posts/2025-08-30_redis-learn05.md

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+date = '2025-08-30T8:00:00+08:00'
+draft = false
+title = 'Redis Ordered Set'
+tags = ['Redis', 'NoSQL']
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+
+Redis 的有序集和(ordered set)同时具有"有序"和"集和"两种性质, 这种结构中每个元素都由一个成员和一个与成员相关联的分值组成, 其中成员与字符串方式存储, 而分值以64位双精度浮点数格式存储.
+
+例如下面一个记录薪水的集和:
+| 成员 | 分值 |
+| :--- | :--- |
+| "perter" | 3500 |
+| "bob" | 3800 |
+| "jack" | 4500 |
+| "tom" | 5000 |
+| "mary" | 5500 |
+
+与集和一样, 有序集和中的元素都是唯一的, 同时, 成员将按照分值大小进行排序.  
+有序集和分值除了可以是数字外, 还可以是字符串 "+inf" 或者 "-inf", 这两个特殊值分别表示无穷大和无穷小.  
+虽然有序集和的成员不可相同, 但是分值可以是相同的, 当两个或多个成员拥有相同的分值时，Redis 将按照这些成员在字典序中的大小对其进行排列.  
+
+有序集合是Redis提供的所有数据结构中最为灵活的一种, 它可以以多种不同的方式获取数据, 比如根据成员获取分值、根据分值获取成员、根据成员的排名获取成员、根据指定的分值范围获取多个成员等.
+
+- ZADD: 添加或更新成员
+    ```
+    ZADD sorted_set socre number [score number ...]
+    ```
+    默认情况下, ZADD 命令将返回成功添加的新成员数量作为返回值, 对于更新操作会返回0(未添加新成员).  
+    使用 `XX | NX` 选项来显示地指示命令 只更新 或 只添加操作
+    ```
+    ZADD sorted [XX|NX] socre member [socre member ...]
+    ```
+    若要返回所有被修改的成员数量(新添加 + 更新数量), 可使用 CH 选项
+    ```
+    ZADD sorted_set [CH] socre number [score number ...]
+    ```
+    复杂度: O(M * log(N)) 其中 M 为给定成员数量, N 为有序集和的成员数量
+
+- ZREM: 移除指定的成员
+    ```
+    ZREM sorted_set member [member ...]
+    ```
+    ZREM 会返回被移除成员的数量作为返回值, 如果给定的某个成员不存在, 则会自动忽略该成员.  
+    复杂度: O(M * log(N)), 其中 M 为给定成员的数量, N 为有序集和中包含的成员数量.
+
+- ZSCORE: 获取成员的分值
+    ```
+    ZSCORE sorted_set member
+    ```
+    如果给定的 member 不存在, 将返回空值  
+    复杂度: O(1)
+
+- ZINCRBY: 对成员的分值进行自增或自减操作
+    ```
+    ZINCRBY sorted_set increment member
+    ```
+    该命令完成操作后, 将返回成员当前分值, increment 为正数时就是自增操作, 为负数时就是自减操作.  
+    如果命令给定的有序集和或者成员不存在, 则相当于 ZADD 命令, 会自动创建对应的值.  
+    复杂度: O(log(N))
+
+- ZCARD: 获取有序集和的大小
+    ```
+    ZCARD sorted_set
+    ```
+    返回集和中成员数量, 若不存在则返回0.  
+    复杂度: O(1)
+
+- ZRANK、ZREVRANK: 取得给定成员在有序集和中的排名
+    ```
+    ZRANK sorted_set member    # 升序
+    ZREVRANK sorted_set member # 降序
+    ```
+    若给定的集和或者成员不存在, 则返回空值.  
+    复杂度: O(log(N))
+
+- ZRANGE、ZREVRANGE: 获取索引范围内的成员
+    ```
+    ZRANGE sorted_set start end    # 升序
+    ZREVRANGE sorted_set start end # 降序
+    ```
+    索引范围为 [start, end], 即这两个索引上的成员也会包含在命令返回的结果当中, 索引从0开始. 此外, 还可以使用负数索引, 索引最后一个从 -1 开始.  
+    默认情况下, ZRANGE 和 ZREVRANGE 命令只会返回指定索引范围内的成员, 如果用户想要获取这些成员以及其分值, 可以使用 WITHSCORES 选项
+    ```
+    ZRANGE sorted_set start end [WITHSCORES]
+    ZREVRANGE sorted_set start end [WITHSCORES]
+    ```
+    如果给定的有序集和不存在, 则会返回一个空列表.  
+    复杂度: O(M + log(N)), 其中 M 为命令返回成员数量, N 为有序集和成员数量.
+
+
+### 示例: 排行榜
+在网站上经常会有各种各样的排行榜. 比如, 音乐网站上可能有试听排行榜, 下载排行榜等. 而视屏网站上可能看到观看排行榜, 收藏排行榜等. 甚至 GitHub 项目托管网站也有 star 排行榜.
+
+下面代码实现了一个排行榜程序:
+- 这个程序使用 ZADD 命令向排行榜中添加被排序的元素及分数, 并使用 ZREVRANK 命令获取元素在排行榜中的排名, 以及使用 ZSCORE 命令去获取元素的分数
+- 当不再需要对某个元素进行排序的时候, 可以调用 ZREM 命令实现 `remove()` 方法, 从排行榜中移除该元素
+- 如果用户想要修改某个被排序的元素的分数, 则调用 ZINCRBY 命令实现的 `increase_score()` 方法或者 `decrease_score()` 方法即可
+- 当用户想要获取排行榜前N位的元素及其分数时, 只需要调用由 ZREVRANGE 命令实现的 `top()` 方法即可
+
+```Python
+class RankingList:
+    def __init__(self, client, key):
+        self.client = client
+        self.key = key
+
+    def set_score(self, item, score):
+        """为排行榜中指定元素设置分数, 不存在的元素会被添加到排行榜中"""
+        self.client.zadd(self.key, {item: score})
+
+    def get_score(self, item):
+        """获取排行榜中指定元素的分数"""
+        return self.client.zscore(self.key, item)
+
+    def remove(self, item):
+        """从排行榜中删除指定的元素"""
+        self.client.zrem(self.key, item)
+
+    def increase_score(self, item, increment):
+        """将给定的元素分数增加 increment 分"""
+        self.client.zincrby(self.key, increment, item)
+
+    def decrease_score(self, item, decrement):
+        """将给定的元素减少 increment 分"""
+        self.client.zincrby(self.key, 0-decrement, item)
+
+    def get_rank(self, item):
+        """获取给定元素排行榜中的排名"""
+        rank = self.client.zrevrank(self.key, item)
+        if rank is not None:
+            return rank + 1 # Redis 排名从0开始
+
+    def top(self, n, with_score=False):
+        """获取排行榜中得分最高的元素"""
+        return self.client.zrevrange(self.key, 0, n-1, withsores=with_score)
+```
+
+- ZRANGEBYSCORE、ZREVRANGEBYSCORE: 获取分值范围内的成员
+    ```
+    ZRANGEBYSCORE sorted_set min max
+    ZREVRANGEBYSCORE sorted_set max min
+    ```
+    命令的 min 参数和 max 参数分别用于指定用户想要获取的最小分值和最大分值, 要注意这两条命令接受最大最小值的顺序正好相反.  
+    该命令也可以使用 WITHSCORES 参数来同时获取成员及其分值  
+    ```
+    ZRANGEBYSCORE sorted_set min max [WITHSCORES]
+    ZREVRANGEBYSCORE sorted_set max min [WITHSCORES]
+    ```
+    默认情况下, 该命令会返回范围内的所有成员, 有时成员数量很多, 就可以使用 LIMIT 选项来限制命令返回的成员数量.
+    ```
+    ZRANGEBYSCORE sorted_set min max [LIMIT offset count]
+    ZREVRANGEBYSCORE sorted_set min max [LIMIT offset count]
+    ```
+    其中, offset 是指从满足 min 和 max 的元素中, 跳过前面的 offset 个元素, count 是从 offset 之后开始, 返回接下来的 count 个元素.
+
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