使用Redis的有序集合实现排行榜功能

游戏中存在各种各样的排行榜，比如玩家的等级排名、分数排名等。玩家在排行榜中的名次是其实力的象征，位于榜单前列的玩家在虚拟世界中拥有无尚荣耀，所以名次也就成了核心玩家的追求目标。

一个典型的游戏排行榜包括以下常见功能：

能够记录每个玩家的分数；
能够对玩家的分数进行更新；
能够查询每个玩家的分数和名次；
能够按名次查询排名前N名的玩家；
能够查询排在指定玩家前后M名的玩家。

更进一步，上面的操作都需要在短时间内实时完成，这样才能最大程度发挥排行榜的效用。

由于一个玩家名次上升x位将会引起x+1位玩家的名次发生变化（包括该玩家），如果采用传统数据库（比如MySQL）来实现排行榜，当玩家人数较多时，将会导致对数据库的频繁修改，性能得不到满足，所以我们只能另想它法。

Redis作为NoSQL中的一员，近年来得到广泛应用。与Memcached相比，Redis拥有更多的数据类型和操作接口，具有更大的适用范围，其中的有序集合（sorted set，也称为zset）就非常适合于排行榜的构建。下面简要总结一下。

1. Redis的安装

Ubuntu下安装Redis非常简单，执行如下命令即可：

$ sudo apt-get install redis-server

安装完毕，运行命令行客户端redis-cli就可以访问本地redis服务器。

$ redis-cli redis 127.0.0.1:6379>

如果要使用最新版本，需要到Redis官网（redis.io）下载最新的代码自行编译，步骤略。

2. ZSet的常用命令

有序集合首先是集合，其成员（member）具有唯一性，其次，每个成员关联了一个分数（score），使得成员可以按照分数排序。关于有序集合的介绍见redis.io/topics/data…，其命令见redis.io/commands#so…。

下面介绍几个能用于排行榜的命令。

假设lb为排行榜名称，user1、user2等为玩家唯一标识。

1) zadd——设置玩家分数

命令格式：zadd 排行榜名称分数玩家标识 时间复杂度：O(log(N))

下面设置了4个玩家的分数，如果玩家分数已经存在，则会覆盖之前的分数。

> redis 127.0.0.1:6379> zadd lb 89 user1
> (integer) 1
> redis 127.0.0.1:6379> zadd lb 95 user2
> (integer) 1
> redis 127.0.0.1:6379> zadd lb 95 user3
> (integer) 1
> redis 127.0.0.1:6379> zadd lb 90 user4
> (integer) 1
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2) zscore——查看玩家分数

命令格式：zscore 排行榜名称玩家标识 时间复杂度：O(1)

下面是查看user2这个玩家在lb排行榜中的分数。

redis 127.0.0.1:6379> zscore lb user2 “95”

3) zrevrange——按名次查看排行榜

命令格式：zrevrange 排行榜名称起始位置结束位置 [withscores] 时间复杂度：O(log(N)+M)

由于排行榜一般是按照分数由高到低排序的，所以我们使用zrevrange，而命令zrange是按照分数由低到高排序。

起始位置和结束位置都是以0开始的索引，且都包含在内。如果结束位置为-1则查看范围为整个排行榜。

带上withscores则会返回玩家分数。

下面为查看所有玩家分数。

> redis 127.0.0.1:6379> zrevrange lb 0 -1 withscores
> 1) “user3”
> 2) “95”
> 3) “user2”
> 4) “95”
> 5) “user4”
> 6) “90”
> 7) “user1”
> 8) “89”
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下面为查询前三名玩家分数。

> redis 127.0.0.1:6379> zrevrange lb 0 2 withscores
> 1) “user3”
> 2) “95”
> 3) “user2”
> 4) “95”
> 5) “user4”
> 6) “90”
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4) zrevrank——查看玩家的排名

命令格式：zrevrank 排行榜名称玩家标识 时间复杂度：O(log(N))

与zrevrange类似，zrevrank是以分数由高到低的排序返回玩家排名（实际返回的是以0开始的索引），对应的zrank则是以分数由低到高的排序返回排名。

下面是查询玩家user3和user4的排名。

> redis 127.0.0.1:6379> zrevrank lb user3
> (integer) 0
> redis 127.0.0.1:6379> zrevrank lb user1
> (integer) 3
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5) zincrby——增减玩家分数

命令格式：zincrby 排行榜名称分数增量玩家标识 时间复杂度：O(log(N))

有的排行榜是在变更时重新设置玩家的分数，而还有的排行榜则是以增量方式修改玩家分数，增量可正可负。如果执行zincrby时玩家尚不在排行榜中，则认为其原始分数为0，相当于执行zdd。

下面将user4的分数增加6，使其名次上升到第一位。

> redis 127.0.0.1:6379> zincrby lb 6 user4
> “96”
> redis 127.0.0.1:6379> zrevrange lb 0 -1 withscores
> 1) “user4”
> 2) “96”
> 3) “user3”
> 4) “95”
> 5) “user2”
> 6) “95”
> 7) “user1”
> 8) “89”
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6) zrem——移除某个玩家

命令格式：zrem 排行榜名称玩家标识 时间复杂度：O(log(N))

下面移除玩家user4。

> redis 127.0.0.1:6379> zrem lb user4
> (integer) 1
> redis 127.0.0.1:6379> zrevrange lb 0 -1 withscores
> 1) “user3”
> 2) “95”
> 3) “user2”
> 4) “95”
> 5) “user1”
> 6) “89”
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7) del——删除排行榜

命令格式：del 排行榜名称

排行榜对象在我们首次调用zadd或zincrby时被创建，当我们要删除它时，调用redis通用的命令del即可。

> redis 127.0.0.1:6379> del lb
> (integer) 1
> redis 127.0.0.1:6379> get lb
> (nil)
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3. 相同分数问题

免费的方案总有那么一些不完美。从前面的例子我们可以看到，user2和user3具有相同的分数，但在按分数逆序排序时，user3排在了user2前面。而在实际应用场景中，我们更希望看到user2排在user3前面，因为user2比user3先加入排行榜，也就是说user2先到达该分数。

但Redis在遇到分数相同时是按照集合成员自身的字典顺序来排序，这里即是按照”user2″和”user3″这两个字符串进行排序，以逆序排序的话user3自然排到了前面。

要解决这个问题，我们可以考虑在分数中加入时间戳，计算公式为：

带时间戳的分数 = 实际分数*10000000000 + (9999999999 – timestamp)

timestamp我们采用系统提供的time()函数，也就是1970年1月1日以来的秒数，我们采用32位的时间戳（这能坚持到2038年），由于32位时间戳是10位十进制整数（最大值4294967295），所以我们让时间戳占据低10位（十进制整数），实际分数则扩大10^10倍，然后把两部分相加的结果作为zset的分数。考虑到要按时间倒序排列，所以时间戳这部分需要颠倒一下，这便是用9999999999减去时间戳的原因。当我们要读取玩家实际分数时，只需去掉后10位即可。

初步看起来这个方案还不错，但这里面有两个问题。

第一个问题是小问题，采用秒为时间戳可能区分度还不够，如果同一秒出现两个分数相同的仍然会出现前面的问题，当然我们可以选择精度更高的时间戳，但在实际场景中，同一秒谁排前面已经无关紧要。

第二个问题是大问题，因为Redis的分数类型采用的是double，64位双精度浮点数只有52位有效数字，它能精确表达的整数范围为-2^53到2^53，最高只能表示16位十进制整数（最大值为9007199254740992，其实连16位也不能完整表示）。这就是说，如果前面时间戳占了10位的话，分数就只剩下6位了，这对于某些排行榜分数来说是不够用的。我们可以考虑缩减时间戳位数，比如从2015年1月1日开始计时，但这仍然增加不了几位。或者减少区分度，以分钟、小时来作为时间戳单位。

如果Redis的分数类型为int64，我们就没有上面的烦恼。说到这里，其实Redis真应该再额外提供一个int64类型的ZSet，但目前只能是幻想，除非自己改其源码。

既然Redis也不能完美解决排行榜问题，那最终是不是有必要自己实现一个专门的排行榜数据结构呢？毕竟实际应用中的排行榜有很多可以优化的地方，比玩家呈金字塔分布，越是低分段玩家数量越多，同一分数拥有大量玩家，玩家增加一分都可能超越很多玩家，这就为优化提供了可能。

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