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大家好，我是小?，一個漂泊江湖多年的 985 非科班程序員，曾混跡于國企、互聯網大廠和創業公司的后臺開發攻城獅。

1. 引言

1.1 消費隊列

這天，小?在購買火車票時，發現如果存在一個未支付的訂單時，就不能再進行購票了。如果把待支付的訂單放在一個隊列里面，那么隊列的長度就只能是 1.

正好最近用 Redis 比較多，于是，我突發奇想，如何用 Redis 原生的數據結構實現一個簡易版的延時消費隊列呢？

業務狀態圖如下：

Redis 如何為 List/Set/Hash 的元素設置單獨的過期時間圖片

并且，需要保證隊列的長度是可控的，比如，我們只允許用戶有 3 個未支付的訂單。

1.2 Redis實現

Redis，作為一款高性能的緩存和數據存儲數據庫，一直以來都是后臺開發者的得力助手。

如果用 Redis 作為消費隊列，那么我們可以用到的數據結構有：List、Hash 和 Set。在上述的業務場景中，由于我們只需要關注 orderId（訂單 ID），因此這三個數據結構都是可用的。

比如，用 hash 來存儲時，我們可以將 key 設置為 UnpaidOrder-{userId}，每個 field 都是一個訂單。

Redis 如何為 List/Set/Hash 的元素設置單獨的過期時間圖片

但是，我們現在面臨一個挑戰：每個訂單的存活時長是不同的，分為手動消費和定期刪除的邏輯。

訂單 1 手動支付后，需要將 orderId1 從列表中刪除
訂單 2 在半小時內還未支付，就自動過期，用戶還可以繼續提交訂單到未支付狀態

所以在 List、Set 或者 Hash 結構中，每個 field 都需要設置單獨的過期時間。

這是一個常見而又棘手的問題，本文將從互聯網業務中常見的解決方案入手，來深入探討一下 Redis 的底層實現。

2. 常見方案

在實際業務中，我們經常會遇到這樣的場景：需要統計某些字段的個數，并且這些字段的過期時間各有先后。

就上述場景而言，我們需要統計用戶的未支付訂單數，但是每個訂單數的過期時間是不同的。

在這種情況下，我們需要在業務中手動刪除過期的字段，或者讓它們自動過期。

2.1 為單獨的 field 設置過期？

我們知道，Redis 里面暫時沒有接口給 List、Set 或者 Hash 的 field 單獨設置過期時間，只能給整個列表、集合或者 Hash 設置過期時間。

這樣，當 List/Set/Hash 過期時，里面的所有 field 元素就全部過期了。

但這樣并不滿足需求。

小?嘗試在網上找一些已知方案，其中有一個 Stack Overflow 的問題帖子和我面臨的很相似：

Redis 如何為 List/Set/Hash 的元素設置單獨的過期時間

圖來源：StackOverflow，Redis 中如何給 HSET 的孩子key（指 field）設置過期時間？

接著，帖子下面的回答里無意看到了 Redis 作者的回答：

Redis 如何為 List/Set/Hash 的元素設置單獨的過期時間圖片

中文翻譯如下：

嗨，這是不可能的，要么為該特定字段使用不同的頂級 key，要么與提交的字段一起存儲另一個具有過期時間的字段，然后同時獲取這兩個字段，并讓應用程序了解它是否仍然有效（基于當前時間）。

大意就是，不可能，除非你同時把 field 和過期時間都存下來，然后在程序里面判斷它是否過期。

這真是布袋里失火，很燒包！

2.2. 設置整體過期時間

既然 Redis 創始人都這么說了，Redis 是不可能為單獨的 field 設置過期時間，那我們首先考慮的就是給整個 List/Set/Hash 設置過期時間。

這樣的做法簡單粗暴，但卻很難滿足每個字段單獨設置過期時間的需求。

于是，我思前想后，既然每個訂單的過期時間不一樣，那我們是否可以根據時間來創建不同的集合，將同一時間過期的訂單放在同一個集合里面：

Redis 如何為 List/Set/Hash 的元素設置單獨的過期時間圖片

然后，分別為不同的集合設置 TTL，當訂單過期未支付時，訂單會隨著集合的過期而在同一分鐘內被刪除。

但是這樣的問題是，每次新增訂單時，都得把過去 30 分鐘的集合全部遍歷一遍，查詢是否有該用戶的訂單，再判斷用戶的未支付訂單數有沒有超量。

并且，以分鐘創建集合，可能存在一個問題：用戶的訂單本來在 01 秒就過期了，但是在 59 秒才被刪除。

如果以秒來創建集合，30 分鐘又需要創建 1800 個集合，就更難管理了，所以對集合設置整體過期時間不太可行。

那有沒有更優雅的實現方式呢？

2.3 zset 結合 score實現

當然是有的！

Redis 除了常用的 List/Set/Hash 結構，它還有一個專門用來排序的數據結構 zset（即 Sorted Set，排序集合）。

而基于 Redis 的 Zset 結構，可以通過 Score 來表示過期時間，我們可以輕松地實現每個 Field 的單獨過期。

Redis 如何為 List/Set/Hash 的元素設置單獨的過期時間圖片

具體實現為：

每當新增一個待支付訂單，就將當前時間的 Unix timestamp 加上過期時間 30min 作為 score 設置到這個元素上，這樣，sorted set 會根據這個過期時間戳對元素排序存儲；
當訂單被支付后，根據 userId 和 orderId 去刪除 sorted set 里的待支付訂單；
同時，在程序里新增一個定時任務，每隔一秒去刪除當前時間已過期的訂單。

2.4 底層實現

用 Redis 的 zset 一方面可以很方便地實現了對每個字段的單獨過期，不再受整個 Key 的過期時間限制，提高了靈活性。

另一方面，Redis 的 zset 操作是十分高效的，不會給系統帶來顯著的性能壓力。

這得益于 zset 底層的數據結構，Zset 底層實現采用了 ZipList（壓縮列表）和 SkipList（跳表）兩種實現方式，當滿足：

Zset 中保存的元素個數小于 128（可通過修改 zset-max-ziplist-entries 配置來修改）
Zset 中保存的所有元素長度小于 64byte（通過修改 zset-max-ziplist-values 配置來修改）

兩個條件時，Zset 采用 ZipList 實現；否則，用 SkipList 實現。

ZipList 實現

Redis 如何為 List/Set/Hash 的元素設置單獨的過期時間圖片

ZipList 是一個數組的形式，存儲數據時分為列表頭部分和數據部分，列表頭部分有 3 個元素：

zlbytes：表示當前 list 的存儲元素的總長度
zllen：表示當前 list 存儲的元素的個數
zltail：表示當前 list 的頭結點的地址，通過 zltail 就是可以實現 list 的遍歷

數據部分以鍵值對的方式依次排列，鍵存儲的是實際 member，值存儲的是 member 對應的分值（score）。

SkipList 實現

Redis 如何為 List/Set/Hash 的元素設置單獨的過期時間圖片

SkipList 分為兩部分：

dict 部分是由字典實現（其實就是 HashMap，里面放了成員到 score 的映射）；
zset 部分使用跳躍表實現（存放了所有的成員，解決了 HashMap 中 key 無序的問題）。

從圖中可以看出，dict 和 zset 都存儲數據。

但實際上 dict 和 zset 最終使用的指針都指向了同一份成員數據，即數據是被兩部分共享的，為了方便表達將同一份數據展示在兩個地方。

2.5 代碼實現

當我們插入一個過期時間到 zset 時，Redis 會自動幫我們排好序，我們只需要在程序中新增一個定時任務，比如：每秒執行一次刪除任務，刪除時間戳從 0 到當前時間戳的 score 值即可。

偽代碼如下：

# 1. 創建新的待支付訂單時，查詢zset個數
count = zcard UnpaidOrder-{userId}

# 2. 判斷未支付訂單個數
if count >= 3:
    return

# 3. 新增訂單
zadd UnpaidOrder-{userId} redis.Z{Score: {timestamp1}, Member: {order1}}

# 4.1 訂單支付后，從 set 中刪除未支付訂單
zrem UnpaidOrder-{userId} order1

# 4.2 過期時間到了，從 set 中刪除未支付訂單
zremrange UnpaidOrder-{userId} 0 {current_timestamp}