【Redis】Redis位图(bitmap)介绍和在签到场景的应用

一、前言

基本原理：

《Redis设计与实现》中对位图的实现描述是：Redis使用字符串对象来表示位数组，因为字符串对象使用的SDS数据结构是二进制安全的，所以程序可以直接使用SDS结构来保存位数组，并使用SDS结构的操作函数来处理为数组。

所以位图本质上结构就是redis的字符串类型SDS(simple dynamic string)。

计算机的存储，都是以二进制0和1存储的数据，位图就是直接对数据的比特位进行读取、赋值等操作。

二、redis位图相关指令

setbit命令

• 指令： SETBIT key offset value
• 复杂度： O(1)
• 含义: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)。offset位负数或者浮点数，执行报错。（set the original bit value stored at offset）getbit命令

getbit命令

• 指令： getbit key offset
• 复杂度： O(1)
• 含义:获取key的value(字符串)在offset处的bit值(只能只0或者1)。(get the bit value stored at offset.)

bitcount命令

• 指令： bitcount key
• 复杂度： O(N)
• 含义:获取key的value(字符串)所有比特位设置位1的总个数（The number of bits set to 1）。

bitfield命令

• 指令： bitfield key [option1] [option2] …
• 复杂度： O(1) * 每个指定的子命令
• 含义: 操作多字节位域，它会执行一系列操作，并返回一个响应数组，在参数列表中每个响应数组匹配相应的操作。
• 官方文档： http://www.redis.cn/commands/bitfield.html

bitpos命令

• 指令： bitpos key 0|1
• 复杂度： O(N)
• 含义: 命令返回字符串里面第一个被设置为1或者0的bit位。（后面还可以接start end两个参数，但是偏移量的单位是字节，不是比特位，几乎没用）

bitop命令

• 指令：BITOP [AND|OR|NOT|XOR ]destkey key1 key2
• 复杂度： O(N)
• 含义: 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。
• 官方文档： http://www.redis.cn/commands/bitop.html

空间占用&第一次分配空间需要的时间
空间占用量随着偏移量的增大而增大，在redis4.0版本可使用memory usage [key] 查看key的空间占用情况。

官方文档数据
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
大概的空间占用计算公式是：($offset/8/1024/1024)MB

三、应用场景

• 签到是一个很典型的位图使用场景
• 指令应用简介
• getbit 查看签到状态
• setbit 标记签到
• bitcount 累计签到次数
• bitfield 批量查询签到标记

下面是签到应用场景演示，如果签到后还需要有一些用户奖励领取的逻辑，当然还可能涉及到补签等用户行为，则可以利用两个比特位来实现逻辑。

累计签到应用场景

连续签到应用场景

日期签到场景

应用详情

getbit查看第n比特位值----“第N个比特位”标识“第几天的签到状态”
指令示例截图:

含义:
查看key为 Test4SignMzy 的value值，第一位比特位是0
需求运用:
key可以作为签到活动的某个周期， “第N个比特位”标识“第几天的签到状态”。
setbit将第n比特位标记成0或1----用户“第n天签到”就将“第n个比特位”标记为1
指令示例截图:

含义:

将key为 Test4SignMzy 的value值，第一位比特位赋值为1，然后查看到比特位以改变为1。

需求运用:
key可以作为签到活动的某个周期，用户“第n天签到”就将这个redis key对应value值的“第n个比特位”标记为1。
bitcount统计所有比特位中为1的个数----用户“累计签到N次”用该值查询
指令示例截图:

含义:

key为 Test4SignMzy 的value值，所占用的所有比特位中，比特位值为1的总数是4个。

需求运用:
key可以作为签到活动的某个周期，用户“累计签到N次”，就可以用value值一共有多少个比特位为1得知。
bitfield 命令可以在一次调用中同时对多个位范围进行操作
指令示例截图:

含义:

第一个执行“bitfield Test4SignMzy get u1 1 get u1 2 get u1 3 get u1 4 get u1 8 get u1 9 get u1 10 get u1 99”，意思就是查看Test4SignMzy对应的value的第1、2、3、4、8、9、10、99比特位的值，得到的值当作无符号1位整数返回。加入原本不存在第99位，返回0代替。 

第二个执行“bitfield Test4SignMzy get u1 #1 get u1 #2 get u1 #3 get u1 #4 get u1 #8 get u1 #9 get u1 #10 get u1 #99”，意思和第一个执行含义一样，只不过“get u1 N”中第三个参数“N”表示从这个key的value值的第0位开始，往后偏移N位比特位；而“get u1 #N”中第三个参数“#N”表示从这个key的value值的第0位开始，往后偏移“N乘1(第二个参数表示的长度)”位比特位。 

需求运用:
可以查看一个用户连续几天，或者一个周期内所有天的签到状态，由此可以得到连续目前连续签到多少天，周期内最大连续签到多少天。