文章目录

Redis核心技术与实战
- 实践篇
- - 13 | GEO是什么？还可以定义新的数据类型吗？
  - - 面向 LBS 应用的 GEO 数据类型
    - GEO 的底层结构
    - GeoHash 的编码方法
    - 如何操作 GEO 类型？
    - 如何自定义数据类型？
    - Redis 的基本对象结构
    - 开发一个新的数据类型

Redis核心技术与实战

实践篇

13 | GEO是什么？还可以定义新的数据类型吗？

面向 LBS 应用的 GEO 数据类型

LBS（Location-Based Service，位置信息服务）应用访问的数据是和人或物关联的一组经纬度信息，而且要能查询相邻的经纬度范围，GEO 非常适合应用在 LBS 服务的场景中。

GEO 的底层结构

GEO 类型的底层数据结构就是用 Sorted Set 来实现的。

以叫车应用为例，用 Sorted Set 来保存车辆的经纬度信息时，Sorted Set 的元素是车辆 ID，元素的权重分数是经纬度信息，如下图所示：

Sorted Set 元素的权重分数是一个浮点数（float 类型），而一组经纬度包含的是经度和纬度两个值，没法直接保存为一个浮点数。

GeoHash 的编码方法

为了能高效地对经纬度进行比较，Redis 采用了业界广泛使用的 GeoHash 编码方法，这个方法的基本原理就是 “二分区间，区间编码”。

对一组经纬度进行 GeoHash 编码时，先对经度和纬度分别编码，然后再把经纬度各自的编码组合成一个最终编码。

经度和纬度的单独编码过程：

对于一个地理位置信息来说，它的经度范围是[-180,180]。GeoHash 编码会把一个经度值编码成一个 N 位的二进制值，来对经度范围[-180,180]做 N 次的二分区操作，其中 N 可以自定义。
在进行第一次二分区时，经度范围[-180,180]会被分成两个子区间：[-180,0) 和[0,180]（左、右分区）。此时，查看要编码的经度值落在了左分区还是右分区。如果是落在左分区，用 0 表示；如果落在右分区，用 1 表示。
当做完 N 次的二分区后，经度值就可以用一个 N bit 的数来表示。

示例

假设要编码的经度值是 116.37，用 5 位编码值，编码过程如下表所示：

纬度的编码方式和经度一样，只是纬度的范围是[-90，90]，编码过程如下表所示：

当一组经纬度值都编完码后，再把它们的各自编码值组合在一起，组合的规则是：最终编码值的偶数位上依次是经度的编码值，奇数位上依次是纬度的编码值，其中，偶数位从 0 开始，奇数位从 1 开始。

以经纬度（116.37，39.86）为例，最终编码如下图所示：

用了 GeoHash 编码后，原来无法用一个权重分数表示的一组经纬度（116.37，39.86）就可以用 1110011101 这一个值来表示，可以保存为 Sorted Set 的权重分数。

使用 GeoHash 编码后，相当于把整个地理空间划分成了一个个方格，每个方格对应了 GeoHash 中的一个分区。

示例

把经度区间[-180,180]做一次二分区，把纬度区间[-90,90]做一次二分区，就会得到 4 个分区。

这 4 个分区对应了 4 个方格，每个方格覆盖了一定范围内的经纬度值，分区越多，每个方格能覆盖到的地理空间就越小，也就越精准。

使用 Sorted Set 范围查询得到的相近编码值，在实际的地理空间上，也是相邻的方格，这就可以实现 LBS 应用“搜索附近的人或物”的功能。

有的编码值虽然在大小上接近，但实际对应的方格却距离比较远。

为了避免查询不准确问题，可以同时查询给定经纬度所在的方格周围的 4 个或 8 个方格。

如何操作 GEO 类型？

GEOADD 命令：用于把一组经纬度信息和相对应的一个 ID 记录到 GEO 类型集合中；
把 ID 号为 33 的车辆的当前经纬度位置存入 GEO 集合中：

GEOADD cars:locations 116.034579 39.030452 33

GEORADIUS 命令：会根据输入的经纬度位置，查找以这个经纬度为中心的一定范围内的其他元素。
查找以经纬度（116.054579，39.030452 ）为中心的 5 公里内的车辆信息

GEORADIUS cars:locations 116.054579 39.030452 5 km ASC COUNT 10

使用 ASC 选项，指定按照距离这个中心位置从近到远的方式来排序，COUNT 选项指定返回信息的数量。

如何自定义数据类型？

Redis 键值对中的每一个值都是用 RedisObject 保存的。

RedisObject 包括元数据和指针。其中，元数据的一个功能就是用来区分不同的数据类型，指针用来指向具体的数据类型的值。

Redis 的基本对象结构

RedisObject 的内部组成包括了 type、encoding、lru 和 refcount 4 个元数据，以及 1 个*ptr指针。

type：表示值的类型；
encoding：是值的编码方式，用来表示 Redis 中实现各个基本类型的底层数据结构，例如 SDS、压缩列表、哈希表、跳表等；
lru：记录了这个对象最后一次被访问的时间，用于淘汰过期的键值对；
refcount：记录了对象的引用计数；
*ptr：是指向数据的指针。

开发一个新的数据类型

首先，需要为新数据类型定义好它的底层结构、type 和 encoding 属性值，然后再实现新数据类型的创建、释放函数和基本命令。

以开发一个名字叫作 NewTypeObject 的新数据类型为例，解释下具体的 4 个操作步骤。

1. 第一步：定义新数据类型的底层结构

用 newtype.h 文件来保存这个新类型的定义，具体定义的代码如下所示：

struct NewTypeObject {struct NewTypeNode *head; size_t len;
}NewTypeObject;

NewTypeNode 结构是自定义的新类型的底层结构。设计两个成员变量：一个是 Long 类型的 value 值，用来保存实际数据；一个是*next指针，指向下一个 NewTypeNode 结构。

struct NewTypeNode {long value;struct NewTypeNode *next;
};

2. 第二步：在 RedisObject 的 type 属性中，增加这个新类型的定义

定义在 Redis 的 server.h 文件中。

#define OBJ_STRING 0    /* String object. */
#define OBJ_LIST 1      /* List object. */
#define OBJ_SET 2       /* Set object. */
#define OBJ_ZSET 3      /* Sorted set object. */
…
#define OBJ_NEWTYPE 7

3. 第三步：开发新类型的创建和释放函数

Redis 把数据类型的创建和释放函数都定义在了 object.c 文件中。

robj *createNewTypeObject(void){NewTypeObject *h = newtypeNew(); robj *o = createObject(OBJ_NEWTYPE,h);return o;
}

newtypeNew 函数用来为新数据类型初始化内存结构。这个初始化过程主要是用 zmalloc 做底层结构分配空间，以便写入数据。

NewTypeObject *newtypeNew(void){NewTypeObject *n = zmalloc(sizeof(*n));n->head = NULL;n->len = 0;return n;
}

newtypeNew 函数涉及到新数据类型的具体创建，而 Redis 默认会为每个数据类型定义一个单独文件，实现这个类型的创建和命令操作，例如，t_string.c 和 t_list.c 分别对应 String 和 List 类型。按照 Redis 的惯例，把 newtypeNew 函数定义在名为 t_newtype.c 的文件中。

createObject 是 Redis 本身提供的 RedisObject 创建函数，它的参数是数据类型的 type 和指向数据类型实现的指针*ptr。

robj *createObject(int type, void *ptr) {robj *o = zmalloc(sizeof(*o));o->type = type;o->ptr = ptr;...return o;
}

对于释放函数来说，它是创建函数的反过程，是用 zfree 命令把新结构的内存空间释放掉。

4. 第四步：开发新类型的命令操作

在 t_newtype.c 文件中增加命令操作的实现。

void ntinsertCommand(client *c){//基于客户端传递的参数，实现在NewTypeObject链表头插入元素
}

在 server.h 文件中，声明已经实现的命令，以便在 server.c 文件引用这个命令。

void ntinsertCommand(client *c)

在 server.c 文件中的 redisCommandTable 里面，把新增命令和实现函数关联起来。例如，新增的 ntinsert
命令由 ntinsertCommand 函数实现，然后就可以用 ntinsert 命令给 NewTypeObject 数据类型插入元素。

struct redisCommand redisCommandTable[] = {
...
{"ntinsert",ntinsertCommand,2,"m",...}
}

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