Redis 中 BitMap 的使用场景

2020 年 10 月 12 日
笔记
Bitmap, Redis

BitMap

BitMap 原本的含义是用一个比特位来映射某个元素的状态。由于一个比特位只能表示 0 和 1 两种状态，所以 BitMap 能映射的状态有限，但是使用比特位的优势是能大量的节省内存空间。

在 Redis 中，可以把 Bitmaps 想象成一个以比特位为单位的数组，数组的每个单元只能存储0和1，数组的下标在 Bitmaps 中叫做偏移量。

需要注意的是：BitMap 在 Redis 中并不是一个新的数据类型，其底层是 Redis 实现。

BitMap 相关命令

# 设置值，其中value只能是 0 和 1
setbit key offset value

# 获取值
getbit key offset

# 获取指定范围内值为 1 的个数
# start 和 end 以字节为单位
bitcount key start end

# BitMap间的运算
# operations 位移操作符，枚举值
  AND 与运算 &
  OR 或运算 |
  XOR 异或 ^
  NOT 取反 ~
# result 计算的结果，会存储在该key中
# key1 … keyn 参与运算的key，可以有多个，空格分割，not运算只能一个key
# 当 BITOP 处理不同长度的字符串时，较短的那个字符串所缺少的部分会被看作 0。返回值是保存到 destkey 的字符串的长度（以字节byte为单位），和输入 key 中最长的字符串长度相等。
bitop [operations] [result] [key1] [keyn…]

# 返回指定key中第一次出现指定value(0/1)的位置
bitpos [key] [value]

BitMap 占用的空间

在弄清 BitMap 到底占用多大的空间之前，我们再来重申下：Redis 其实只支持 5 种数据类型，并没有 BitMap 这种类型，BitMap 底层是基于 Redis 的字符串类型实现的。

我们通过下面的命令来看下 BitMap 占用的空间大小：

# 首先将偏移量是0的位置设为1
127.0.0.1:6379> setbit csx:key:1 0 1
(integer) 0
# 通过STRLEN命令，我们可以看到字符串的长度是1
127.0.0.1:6379> STRLEN csx:key:1
(integer) 1
# 将偏移量是1的位置设置为1
127.0.0.1:6379> setbit csx:key:1 1 1
(integer) 0
# 此时字符串的长度还是为1，以为一个字符串有8个比特位，不需要再开辟新的内存空间
127.0.0.1:6379> STRLEN csx:key:1
(integer) 1
# 将偏移量是8的位置设置成1
127.0.0.1:6379> setbit csx:key:1 8 1
(integer) 0
# 此时字符串的长度编程2，因为一个字节存不下9个比特位，需要再开辟一个字节的空间
127.0.0.1:6379> STRLEN csx:key:1
(integer) 2

通过上面的实验我们可以看出，BitMap 占用的空间，就是底层字符串占用的空间。假如 BitMap 偏移量的最大值是 OFFSET_MAX，那么它底层占用的空间就是：

(OFFSET_MAX/8)+1 = 占用字节数

因为字符串内存只能以字节分配，所以上面的单位是字节。

但是需要注意，Redis 中字符串的最大长度是 512M，所以 BitMap 的 offset 值也是有上限的，其最大值是：

8 * 1024 * 1024 * 512  =  2^32

由于 C语言中字符串的末尾都要存储一位分隔符，所以实际上 BitMap 的 offset 值上限是：

(8 * 1024 * 1024 * 512) -1  =  2^32 - 1

使用场景

1. 用户签到

很多网站都提供了签到功能，并且需要展示最近一个月的签到情况，这种情况可以使用 BitMap 来实现。
根据日期 offset = （今天是一年中的第几天） % （今年的天数），key = 年份：用户id。

如果需要将用户的详细签到信息入库的话，可以考虑使用一个一步线程来完成。

2. 统计活跃用户（用户登陆情况）

使用日期作为 key，然后用户 id 为 offset，如果当日活跃过就设置为1。具体怎么样才算活跃这个标准大家可以自己指定。

假如 20201009 活跃用户情况是： [1，0，1，1，0]
20201010 活跃用户情况是：[ 1，1，0，1，0 ]

统计连续两天活跃的用户总数：

bitop and dest1 20201009 20201010 
# dest1 中值为1的offset，就是连续两天活跃用户的ID
bitcount dest1

统计20201009 ~ 20201010 活跃过的用户：

bitop or dest2 20201009 20201010

3. 统计用户是否在线

如果需要提供一个查询当前用户是否在线的接口，也可以考虑使用 BitMap 。即节约空间效率又高，只需要一个 key，然后用户 id 为 offset，如果在线就设置为 1，不在线就设置为 0。

4. 实现布隆过滤器

参考

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