Redis中bitmap的妙用

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在Redis中我们经常用到set,get等命令,细心的你有没有发现,还有几个相似的命令叫setbit,getbit,它们是用来干嘛的?

BitMap是什么

就是通过一个bit位来表示某个元素对应的值或者状态,其中的key就是对应元素本身。我们知道8个bit可以组成一个Byte,所以bitmap本身会极大的节省储存空间。

Redis中的BitMap

Redis从2.2.0版本开始新增了setbit,getbit,bitcount等几个bitmap相关命令。虽然是新命令,但是并没有新增新的数据类型,因为setbit等命令只不过是在set上的扩展。

setbit命令介绍

指令 SETBIT key offset value
复杂度 O(1)
设置或者清空key的value(字符串)在offset处的bit值(只能只0或者1)。

空间占用、以及第一次分配空间需要的时间

在一台2010MacBook Pro上,offset为2^32-1(分配512MB)需要~300ms,offset为2^30-1(分配128MB)需要~80ms,offset为2^28-1(分配32MB)需要~30ms,offset为2^26-1(分配8MB)需要8ms。<来自官方文档>
大概的空间占用计算公式是:($offset/8/1024/1024)MB

使用场景一:用户签到

很多网站都提供了签到功能(这里不考虑数据落地事宜),并且需要展示最近一个月的签到情况,如果使用bitmap我们怎么做?一言不合亮代码!

<?php
$redis = new Redis();
$redis->connect('127.0.0.1');


//用户uid
$uid = 1;

//记录有uid的key
$cacheKey = sprintf("sign_%d", $uid);

//开始有签到功能的日期
$startDate = '2017-01-01';

//今天的日期
$todayDate = '2017-01-21';

//计算offset
$startTime = strtotime($startDate);
$todayTime = strtotime($todayDate);
$offset = floor(($todayTime - $startTime) / 86400);

echo "今天是第{$offset}天" . PHP_EOL;

//签到
//一年一个用户会占用多少空间呢?大约365/8=45.625个字节,好小,有木有被惊呆?
$redis->setBit($cacheKey, $offset, 1);

//查询签到情况
$bitStatus = $redis->getBit($cacheKey, $offset);
echo 1 == $bitStatus ? '今天已经签到啦' : '还没有签到呢';
echo PHP_EOL;

//计算总签到次数
echo $redis->bitCount($cacheKey) . PHP_EOL;

/**
* 计算某段时间内的签到次数
* 很不幸啊,bitCount虽然提供了start和end参数,但是这个说的是字符串的位置,而不是对应"位"的位置
* 幸运的是我们可以通过get命令将value取出来,自己解析。并且这个value不会太大,上面计算过一年一个用户只需要45个字节
* 给我们的网站定一个小目标,运行30年,那么一共需要1.31KB(就问你屌不屌?)
*/
//这是个错误的计算方式
echo $redis->bitCount($cacheKey, 0, 20) . PHP_EOL;

使用场景二:统计活跃用户

使用时间作为cacheKey,然后用户ID为offset,如果当日活跃过就设置为1
那么我该如果计算某几天/月/年的活跃用户呢(暂且约定,统计时间内只有有一天在线就称为活跃),有请下一个redis的命令
命令 BITOP operation destkey key [key ...]
说明:对一个或多个保存二进制位的字符串 key 进行位元操作,并将结果保存到 destkey 上。
说明:BITOP 命令支持 AND 、 OR 、 NOT 、 XOR 这四种操作中的任意一种参数

//日期对应的活跃用户

$data = array(

'2017-01-10' => array(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10),

'2017-01-11' => array(1,2,3,4,5,6,7,8),

'2017-01-12' => array(1,2,3,4,5,6),

'2017-01-13' => array(1,2,3,4),

'2017-01-14' => array(1,2)

);



//批量设置活跃状态

foreach($data as $date=>$uids) {

$cacheKey = sprintf("stat_%s", $date);

foreach($uids as $uid) {

$redis->setBit($cacheKey, $uid, 1);

}

}



$redis->bitOp('AND', 'stat', 'stat_2017-01-10', 'stat_2017-01-11', 'stat_2017-01-12') . PHP_EOL;

//总活跃用户:6

echo "总活跃用户:" . $redis->bitCount('stat') . PHP_EOL;



$redis->bitOp('AND', 'stat1', 'stat_2017-01-10', 'stat_2017-01-11', 'stat_2017-01-14') . PHP_EOL;

//总活跃用户:2

echo "总活跃用户:" . $redis->bitCount('stat1') . PHP_EOL;



$redis->bitOp('AND', 'stat2', 'stat_2017-01-10', 'stat_2017-01-11') . PHP_EOL;

//总活跃用户:8

echo "总活跃用户:" . $redis->bitCount('stat2') . PHP_EOL;

假设当前站点有5000W用户,那么一天的数据大约为50000000/8/1024/1024=6MB

使用场景三:用户在线状态

前段时间开发一个项目,对方给我提供了一个查询当前用户是否在线的接口。不了解对方是怎么做的,自己考虑了一下,使用bitmap是一个节约空间效率又高的一种方法,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,和上面的场景一样,5000W用户只需要6MB的空间。

//批量设置在线状态
$uids = range(1, 500000);

foreach($uids as $uid) {

$redis->setBit('online', $uid, $uid % 2);

}

//一个一个获取状态

$uids = range(1, 500000);

$startTime = microtime(true);

foreach($uids as $uid) {

echo $redis->getBit('online', $uid) . PHP_EOL;

}

$endTime = microtime(true);

//在我的电脑上,获取50W个用户的状态需要25秒

echo "total:" . ($endTime - $startTime) . "s";




/**

* 对于批量的获取,上面是一种效率低的办法,实际可以通过get获取到value,然后自己计算

* 具体计算方法改天再写吧,之前写的代码找不见了。。。

*/

其实BitMap可以运用的场景很多很多(当然也会受到一些限制),思维可以继续扩散~欢迎小伙伴给我留言探讨~

续篇:Redis中BitMap是如何储存的,以及PHP如何处理

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15 条评论
keyganker · 2018年01月05日

bitCount中 start和end是统计的字节的开始和结束
比如bitCount a 0 1 表示统计第0个字节到第1个字节中,值为1的位的数量

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Jeson · 2018年01月20日

博主你好,使用 setbit 存储的数据,再用 get命令将value取出来,这里有个编码方面的问题,
例如,我存入的 二进制情况为

   0101 0000 1001 0000 0100 0000,

但是取出来是

   P�@ 

也就是第二个字节是错误的。请问这里如何解决编码格式问题

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0
/**
 * 解决bitSet java redis 字节顺序问题
 */
private static BitSet fromByteArrayReverse(final byte[] bytes) {
    final BitSet bits = new BitSet();
    for (int i = 0; i < bytes.length * 8; i++) {
        if ((bytes[i / 8] & (1 << (7 - (i % 8)))) != 0) {
            bits.set(i);
        }
    }
    return bits;
}
auhCode · 2018年01月22日
0

redis setbit是按大端序存的,参考代码,不懂再问我。。

<?php
$redis = new Redis();
$redis->connect('127.0.0.1');
$bit = $redis->get('testbit');

$bitLength = strlen($bit);
while($bitLength % 4 != 0) {
    $bitLength++;
}

$bit = str_pad($bit, $bitLength, pack('n', 0));
$bit = unpack('n*', $bit);

var_dump($bit);
zhjx922 作者 · 2018年01月22日
0

多谢博主的耐心解答。
我在 php 中通过 redis get获取到的$value是 P�@ ;
然后使用 $bitmap = unpack('C*', $value) 解析得到正确的结果,打印$bitmap为 [80,144, 64]。
但是,我在 nodejs 中没有找到像 php 中的 unpack 函数,目前正在看博主的https://segmentfault.com/a/11... ,然后去找 node 中的解决办法。

Jeson · 2018年01月22日
crazymus · 2018年01月28日

不错~记录签到数据是个好办法

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一划写雨 · 2018年03月22日

如果用户id不是整形的呢?

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恭喜你,把我问住了、、

zhjx922 作者 · 2018年03月24日
2

用户ID encode成16进制后hash,再转成int

mentalkiller · 2018年06月25日
罗青 · 2018年09月19日

某个时间段的签到情况貌似无法实现把,你存入的只是签到的连续天数,无法满足当月的每日的签到情况

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0

可以啊,我的位移就是所谓的日期,转换一下就行了

zhjx922 作者 · 2018年09月19日
油酥虎 · 3月1日

帮助很大 谢谢博主

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