Redis 中 BitMap 的使用場景

2020 年 10 月 12 日
筆記
Bitmap, Redis

BitMap

BitMap 原本的含義是用一個比特位來映射某個元素的狀態。由於一個比特位只能表示 0 和 1 兩種狀態，所以 BitMap 能映射的狀態有限，但是使用比特位的優勢是能大量的節省記憶體空間。

在 Redis 中，可以把 Bitmaps 想像成一個以比特位為單位的數組，數組的每個單元只能存儲0和1，數組的下標在 Bitmaps 中叫做偏移量。

需要注意的是：BitMap 在 Redis 中並不是一個新的數據類型，其底層是 Redis 實現。

BitMap 相關命令

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

# 獲取值
getbit key offset

# 獲取指定範圍內值為 1 的個數
# start 和 end 以位元組為單位
bitcount key start end

# BitMap間的運算
# operations 位移操作符，枚舉值
  AND 與運算 &
  OR 或運算 |
  XOR 異或 ^
  NOT 取反 ~
# result 計算的結果，會存儲在該key中
# key1 … keyn 參與運算的key，可以有多個，空格分割，not運算只能一個key
# 當 BITOP 處理不同長度的字元串時，較短的那個字元串所缺少的部分會被看作 0。返回值是保存到 destkey 的字元串的長度（以位元組byte為單位），和輸入 key 中最長的字元串長度相等。
bitop [operations] [result] [key1] [keyn…]

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

BitMap 佔用的空間

在弄清 BitMap 到底佔用多大的空間之前，我們再來重申下：Redis 其實只支援 5 種數據類型，並沒有 BitMap 這種類型，BitMap 底層是基於 Redis 的字元串類型實現的。

我們通過下面的命令來看下 BitMap 佔用的空間大小：

# 首先將偏移量是0的位置設為1
127.0.0.1:6379> setbit csx:key:1 0 1
(integer) 0
# 通過STRLEN命令，我們可以看到字元串的長度是1
127.0.0.1:6379> STRLEN csx:key:1
(integer) 1
# 將偏移量是1的位置設置為1
127.0.0.1:6379> setbit csx:key:1 1 1
(integer) 0
# 此時字元串的長度還是為1，以為一個字元串有8個比特位，不需要再開闢新的記憶體空間
127.0.0.1:6379> STRLEN csx:key:1
(integer) 1
# 將偏移量是8的位置設置成1
127.0.0.1:6379> setbit csx:key:1 8 1
(integer) 0
# 此時字元串的長度編程2，因為一個位元組存不下9個比特位，需要再開闢一個位元組的空間
127.0.0.1:6379> STRLEN csx:key:1
(integer) 2

通過上面的實驗我們可以看出，BitMap 佔用的空間，就是底層字元串佔用的空間。假如 BitMap 偏移量的最大值是 OFFSET_MAX，那麼它底層佔用的空間就是：

(OFFSET_MAX/8)+1 = 佔用位元組數

因為字元串記憶體只能以位元組分配，所以上面的單位是位元組。

但是需要注意，Redis 中字元串的最大長度是 512M，所以 BitMap 的 offset 值也是有上限的，其最大值是：

8 * 1024 * 1024 * 512  =  2^32

由於 C語言中字元串的末尾都要存儲一位分隔符，所以實際上 BitMap 的 offset 值上限是：

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

使用場景

1. 用戶簽到

很多網站都提供了簽到功能，並且需要展示最近一個月的簽到情況，這種情況可以使用 BitMap 來實現。
根據日期 offset = （今天是一年中的第幾天） % （今年的天數），key = 年份：用戶id。

如果需要將用戶的詳細簽到資訊入庫的話，可以考慮使用一個一步執行緒來完成。

2. 統計活躍用戶（用戶登陸情況）

使用日期作為 key，然後用戶 id 為 offset，如果當日活躍過就設置為1。具體怎麼樣才算活躍這個標準大家可以自己指定。

假如 20201009 活躍用戶情況是： [1，0，1，1，0]
20201010 活躍用戶情況是：[ 1，1，0，1，0 ]

統計連續兩天活躍的用戶總數：

bitop and dest1 20201009 20201010 
# dest1 中值為1的offset，就是連續兩天活躍用戶的ID
bitcount dest1

統計20201009 ~ 20201010 活躍過的用戶：

bitop or dest2 20201009 20201010

3. 統計用戶是否在線

如果需要提供一個查詢當前用戶是否在線的介面，也可以考慮使用 BitMap 。即節約空間效率又高，只需要一個 key，然後用戶 id 為 offset，如果在線就設置為 1，不在線就設置為 0。

4. 實現布隆過濾器

參考

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