使用 Redis 实现一个排行榜

一句话总结

使用 Redis 的 Sorted Set（有序集合）实现排行榜：
1. 用 ZADD 命令添加成员及其分数
2. 通过 ZREVRANGE 获取分数从高到低的排名
3. ZRANK 可查询成员具体排名
4. 结合 ZSCORE 获取成员具体分数
5. 一样分数默认按字典序排序，可用时间戳作为辅助排序条件

详细解析

使用 Redis 实现排行榜的核心是利用其 有序集合（ZSET, Sorted Set） 数据结构。ZSET 支持按分数（Score）快速排序，并提供了丰富的命令用于动态更新、查询排名、获取 Top N 等操作，超级适合实现实时排行榜。

以下是完整的实现步骤和关键细节：

一、核心原理：ZSET 的特性

ZSET 的每个元素由 成员（Member） 和 分数（Score） 组成，Redis 会根据分数对成员进行升序排序（默认）或降序排序（通过命令参数控制）。排行榜的核心操作（如更新分数、查询排名、获取 Top N）都可以通过 ZSET 的命令高效完成。

二、排行榜的核心操作

假设我们要实现一个“游戏积分排行榜”，需要支持以下功能：

• 记录用户的积分（分数）；
• 实时更新用户积分；
• 查询用户当前排名；
• 获取 Top N 玩家列表；
• 处理同分排名（并列情况）；
• 分页查询（如第 11-20 名）。

1. 初始化排行榜（添加用户和分数）

使用ZADD命令向 ZSET 中添加成员和分数。若成员已存在，会更新其分数并重新排序。

命令格式：
ZADD key [NX|XX] [CH] [INCR] score member [score member …]

• key：排行榜的键（如game:ranking）；
• score：用户的分数（如积分）；
• member：用户的唯一标识（如用户 ID）；
• 可选参数：NX（仅新增）、XX（仅更新）、CH（返回修改的成员数）、INCR（分数增量模式）。

示例（初始化 3 个用户）：

# 用户 U1 积分 100，U2 积分 200，U3 积分 150
ZADD game:ranking 100 U1 200 U2 150 U3

2. 更新用户分数（实时调整排名）

使用ZADD或ZINCRBY命令更新分数。ZINCRBY适合需要增量更新的场景（如用户得分增加 50）。

• 直接设置分数（覆盖）：
  ZADD game:ranking <新分数> <用户ID>
  示例：ZADD game:ranking 250 U1（U1 积分从 100 变为 250）。
• 增量更新分数（加减）：
  ZINCRBY game:ranking <增量> <用户ID>
  示例：ZINCRBY game:ranking 50 U3（U3 积分从 150 变为 200）。
• 3. 查询用户排名

使用ZREVRANK（降序排名，更符合排行榜习惯）或ZRANK（升序排名）获取用户的排名（从 0 开始计数）。

• 降序排名（分数越高排名越前）：
  ZREVRANK key member
  示例：查询 U2 的排名：ZREVRANK game:ranking U2→ 返回0（第 1 名）。
• 升序排名（分数越低排名越前）：
  ZRANK key member
  示例：ZRANK game:ranking U1→ 若 U1 分数最低，返回0（第 1 名）。

注意：排名从 0 开始，若要显示为“第 1 名”需手动 +1。

4. 获取 Top N 玩家（按分数排序）

使用ZREVRANGE（降序）或ZRANGE（升序）获取指定排名范围内的成员和分数。

• 降序获取 Top N（分数从高到低）：
  ZREVRANGE key start stop [WITHSCORES]start：起始偏移量（0 表明第 1 名）；stop：结束偏移量（-1 表明最后一名）；WITHSCORES：可选参数，返回成员的分数。

示例：

# 获取前 3 名（第 1-3 名）
ZREVRANGE game:ranking 0 2 WITHSCORES
# 输出：["U1", "250", "U2", "200", "U3", "200"] （假设 U1 250，U2 和 U3 各 200）

• 分页查询（如第 11-20 名）：
  ZREVRANGE game:ranking 10 19 WITHSCORES

5. 处理同分排名（并列情况）

ZSET 中若多个成员分数一样，Redis 会按成员的字典序排序（升序）。例如，U2（”U2″）和 U3（”U3″）分数一样，U2 会排在 U3 前面（由于 “U2” < “U3” 按字典序）。

若需避免同分按字典序排序（如希望先达到该分数的用户排名更前），可以将分数设计为复合值，例如：
分数 = 主积分 * 10^6 + 时间戳（时间戳用于区分先后）。
这样，主积分一样的用户，时间戳更小（更早达到）的分数更高，排名更前。

6. 其他常用操作

三、扩展场景：多维度排行榜

实际业务中可能需要不同维度的排行榜（如日榜、周榜、月榜），可以通过键命名规范和定时任务实现。

1. 日榜/周榜的存储

• 键名设计：ranking:daily:20240520（日榜）、ranking:weekly:2024W20（周榜）。
• 每日/周结束时，通过ZUNIONSTORE合并临时数据到长期榜单，或直接过期旧榜单（EXPIRE命令设置过期时间）。

2. 同时记录用户额外信息

排行榜一般需要展示用户昵称、头像等信息，可结合 Hash 结构存储用户详情：

• ZSET 存储用户ID → 分数；
• Hash 存储用户ID → 昵称、头像、等级等信息。
  查询时，先通过ZREVRANGE获取 Top N 的用户ID，再通过HMGET获取用户详情。

四、性能优化提议

1. 批量操作：高并发场景下，使用 管道（Pipeline） 批量执行多个 ZSET 命令（如批量更新分数），减少网络开销。
2. 原子性操作：涉及多个命令的复合操作（如更新分数并记录日志），使用 Lua 脚本保证原子性。
   示例（安全地增量更新分数）：

-- 脚本功能：若用户存在则增加分数，否则返回错误
local score = redis.call('ZSCORE', KEYS[1], ARGV[1])
if score then
    return redis.call('ZINCRBY', KEYS[1], ARGV[2], ARGV[1])
else
    return 'user not exists'
end

3、内存优化：若排行榜数据量极大（如亿级用户），可定期归档旧数据（如只保留最近 30 天的排名）。

五、总结

Redis 的 ZSET 是实现排行榜的“天然工具”，核心步骤包括：

1. 使用ZADD/ZINCRBY维护用户分数；
2. 使用ZREVRANK查询用户排名；
3. 使用ZREVRANGE获取 Top N 或分页数据；
4. 结合键命名和 Hash 结构扩展多维度排行榜和用户信息。