基於Redis分佈式BitMap的應用
一、序言
在實際開發中常常遇到如下需求：判斷當前元素是否存在於已知的集合中，將已知集合中的元素維護一個HashSet，使用時只需耗時O(1)的時間複雜度便可判斷出結果，Java內部或者Redis均提供相應的數據結構。使用此種方式除了佔用內存空間外，幾乎沒有其它缺點。
當數據量達到億級別時，內存空間的佔用顯著表現出來，BitMap便是解決此類問題的一種途徑。
二、BitMap結構
1、內存消耗分析
Redis BitMap能夠存儲的數據範圍為[0,2^32-1]，超過Integer.MAX_VALUE上界值。
為了簡化討論，假設討論的集合元素的範圍為[0,Integer.MAX_VALUE]，可以是其中的任何一個數。
使用HashSet數據結構佔用內存空間僅與集合中的元素數量（N）相關。當集合中元素數量為N時，所需的內存空間大概為N*4/1024/1024MB，1億條數據約佔內存空間381MB。
基於Redis的BitMap所佔用的空間大小不與集合中元素數量相關，與集合中元素的最大值直接相關，因此BitMap所佔用的內存空間範圍為[N / 8 / 1024 / 1024,Integer.MAX_VALUE / 8 / 1024 / 1024]。
// 測試1億、5億、10億、Integer.MAX_VALUE
List<Integer> items = Arrays.asList(100000000, 500000000, 1000000000, Integer.MAX_VALUE);
for (Integer item : items) {
int size = item / 8 / 1024 / 1024;
System.out.printf("如果集合中最大值為%-10s,則所佔用的內存空間為%3sMB%n",item, size);
}
這裡給出了一組測試參考數據
如果集合中最大值為100000000 ,則所佔用的內存空間為 11MB
如果集合中最大值為500000000 ,則所佔用的內存空間為 59MB
如果集合中最大值為1000000000,則所佔用的內存空間為119MB
如果集合中最大值為2147483647,則所佔用的內存空間為255MB
當集合中數據增長到10億條時，使用BItMap最大佔用內存約為255MB，而使用HashSet增長到3.8GB。
2、命令行操作BitMap
使用Redis命令行可直接操作BitMap，將offset位置的值標註為1，則表示當前數據存在。默認情況下未標註的位置值為0。
# 默認位不賦值為0，當數據存在於集合中，將對應位賦值為1
SETBIT key offset value
# 查看對應位數據是否存在（1表示存在，0表示不存在）
GETBIT key offset
3、客戶端操作BitMap
這裡提供一個SpringBoot生態的RedisUtils工具類，內部封裝操作Redis BitMap的工具方法。
// 將當前位置標記為true
RedisUtils.setBit(BIT_MAP_KEY, orderId, true);
// 獲取指定位置的值（對應數值是否存在）
RedisUtils.getBit(BIT_MAP_KEY, orderId)
上述工具類的依賴如下，如果找不到Jar包，請直接使用Maven原始倉庫源，阿里雲尚未同步完成。
<dependency>
<groupId>xin.altitude.cms</groupId>
<artifactId>ucode-cms-common</artifactId>
<version>1.4.3</version>
</dependency>
4、時間與空間複雜度
BitMap的存儲與取值時間複雜度為O(1)，根據數值可直接映射下標。
BitMap佔用內存空間複雜度為O(n)，與集合中元素的最大值正相關，不是集合中元素的數量。
三、BitMap應用
1、迴避緩存穿透
緩存穿透是指當前請求的數據在緩存中不存在，需要訪問數據庫獲取數據（數據庫中也不存在請求的數據）。緩存穿透給數據庫帶來了壓力，惡意緩存穿透甚至能造成數據庫宕機。
使用BitMap動態維護一個集合，當訪問數據庫前，先查詢數據的主鍵是否存在集合中，以此作為是否訪問數據庫的依據。
BitMap新增數據或者移除數據屬於輕量級操作，檢查操作的準確度依賴於動態集合維護的閉環的完整性。比如向數據庫增加數據時需要向BitMap中添加數據，從數據庫中刪除數據需要從BitMap中移除數據。如果要求嚴格的檢查可靠性，則可以單獨維護一個分佈式定時任務，定期更新BitMap數據。
2、與布隆過濾器的區別
布隆過濾器與BitMap有相似的應用場景，但也有一定的區別。給定一個數，BitMap能準確知道是否存在於已知集合中；布隆過濾器能準確判斷是否不在集合中，卻不能肯定存在於集合中。
BitMap增加或者移除數據時間複雜度為O(1)，方便快捷。布隆過濾器新建容易，剔除數據操作比較繁瑣。
在一些需要精確判斷的場景，優先選擇BitMap，比如判斷手機號是否已經註冊。
四、小結
Redis BitMap不是一種新的數據結構，是利用字符串類型做的一層封裝，看起來像一種新型數據結構。BitMap不像一種技術，更像是算法，在時間複雜度和空間複雜度之間尋找平衡點。
BitMap其它應用場景比如簽到打卡，統計在線人數等等。
