Eine eingehende Analyse von Bitmaps in Redis (Bitmap)

Dieser Artikel stellt Ihnen die Bitmap in Redis vor. Ich hoffe, er wird Ihnen hilfreich sein!

Die Bitmap von Redis ist ein Array, das aus mehreren Binärbits besteht. Jedes Binärbit im Array verfügt über einen entsprechenden Offset (beginnend bei 0). Bitmap. [Verwandte Empfehlungen: Redis-Video-Tutorial]

Tatsächlich ist Bitmap kein neuer Datentyp, der von Redis bereitgestellt wird, sondern eine Erweiterung des String-Typs. Daher können Bitmap-Befehle direkt für Tasten vom Typ Zeichenfolge verwendet werden, und Tasten, die von Bitmap-Befehlen bedient werden, können auch von Befehlen vom Typ Zeichenfolge bedient werden.

Zum Beispiel gibt es einen Zeichenfolgenschlüssel foo:

redis> set foo bar

1 Byte besteht aus 8 binären Bits, daher lautet die binäre Form des foo-Schlüssels:

SETBIT

Durch den Befehl SETBIT Der binäre Bit-Einstellungswert am Offset kann für den Bitmap-Offset angegeben werden, der größer oder gleich 0 sein muss und der Wert nur 0 oder 1 sein kann. Die zeitliche Komplexität dieses Befehls beträgt O(1).

SETBIT-TastenoffsetwertSETBIT key offset value

SETBIT 命令在对二进制位进行设置之后，将返回二进制位被设置之前的旧值作为结果。

假设现在想把 bar 变为 aar，只需如下两步操作：

redis> setbit foo 6 0
(integer) 1
redis> setbit foo 7 1
(integer) 0
redis> get foo"aar"

当执行 SETBIT 命令尝试对一个位图进行设置的时候，如果位图不存在，或者位图当前的大小无法满足，Redis 将对被设置的位图进行扩展，并将所有未被设置的二进制位的值初始化为 0。比如：

redis> setbit far 10 1

由于 far 并不存在，所以 Redis 会将 0~9 的二进制位设置为 0，因为 Redis 对位图的扩展操作是以字节为单位进行的，所以实际上 far 一共有 16 个二进制位，并不是 10 个，且 11~15 的二进制位也是 0。

基于这种情况，当指定的二进制位偏移量过大时，Redis 需要一次性分配完所有内存，这可能会造成 Redis 服务器阻塞。比如存储用户的性别，1 代表男性，0 代表女性，使用 ID 作为二进制偏移量，如果 ID 从 10000000001 开始的，就需要将用户 ID 减去 10000000000 再进行存储，否则会造成内存浪费。

GETBIT

使用 GETBIT 命令可以获取位图指定偏移量上的二进制位的值。此命令的时间复杂度是 O(1)。

GETBIT key offset

如果输入的偏移量超过了位图目前拥有的最大偏移量，将返回 0 作为结果。

BITCOUNT

通过 BITCOUNT 命令可以统计位图中值为 1 的二进制位数量。此命令的时间复杂度是 O(n)。

BITCOUNT key [start end]

在默认情况下，BITCOUNT 命令对位图包含的所有字节中的二进制位进行统计，也可以通过可选的 start 参数和 end 参数，让 BITCOUNT 只对指定字节范围内的二进制位进行统计（不是二进制偏移量）。比如，希望统计 ar 两个字节中值为 1 的二进制数量：

redis> bitcount foo 1 2
(integer) 7

start 和 end 参数也支持使用负数索引，下方的用法与上方的等效：

redis> bitcount foo -2 -1
(integer) 7

BITPOS

通过执行 BITPOS 命令，在位图中查找第一个被设置为指定值的二进制位，并返回这个二进制位的偏移量。

BITPOS key value [start end]

BITPOS 也接受可选的 start 参数和 end 参数，让 BITPOS 命令只在指定字节范围内的二进制位中进行查找。

redis> get foo"aar"redis> bitpos foo 1
(integer) 1
redis> bitpos foo 0
(integer) 0
redis> bitpos foo 0 1 2
(integer) 8
redis> bitpos foo 1 1 2
(integer) 9
redis> bitpos foo 1 -1 -1
(integer) 17

针对边界的处理：

• 当尝试对一个不存在的位图或者一个所有位都被设置成了 0 的位图中查找值为 1 的二进制位时，BITPOS 命令将返回 -1 作为结果。
• 如果在一个所有位都被设置成 1 的位图中查找值为 0 的二进制位，那么 BITPOS 命令将返回位图最大偏移量加上 1 作为结果

BITOP

通过 BITOP 命令，对一个或多个位图执行指定的二进制位运算，并将运算结果存储到指定的键中。

BITOP operation destkey key [key ...]

Nach dem Setzen des Binärbits gibt der SETBIT-Befehl den alten Wert zurück, bevor das Binärbit als Ergebnis gesetzt wird. 🎜🎜Angenommen, Sie möchten jetzt bar in aar ändern, benötigen Sie nur die folgenden zwei Schritte: 🎜

redis> set foo1 bar
OK
redis> set foo2 aar
OK
redis> bitop or res foo1 foo2
(integer) 3
redis> get res"car"

🎜Wenn Sie den SETBIT-Befehl ausführen, um zu versuchen, eine Bitmap festzulegen, wenn die Bitmap nicht vorhanden ist oder die aktuelle Größe der Bitmap nicht möglich ist Wenn Sie zufrieden sind, erweitert Redis die festgelegte Bitmap und initialisiert die Werte aller nicht gesetzten Binärbits auf 0. Zum Beispiel: 🎜rrreee🎜Da Far nicht existiert, setzt Redis die Binärbits von 0 auf 9 auf 0. Da Redis die Bitmap in Bytes erweitert, gibt es tatsächlich insgesamt 16 Fars. Es gibt keine 10 Binärziffern Binärziffern von 11 bis 15 sind ebenfalls 0. 🎜

🎜Wenn in dieser Situation der angegebene Binärbit-Offset zu groß ist, muss Redis den gesamten Speicher auf einmal zuweisen, was dazu führen kann, dass der Redis-Server blockiert. Wenn Sie beispielsweise das Geschlecht des Benutzers speichern, steht 1 für männlich und 0 für weiblich, wobei die ID als binärer Offset verwendet wird. Wenn die ID bei 10000000001 beginnt, müssen Sie vor dem Speichern 10000000000 von der Benutzer-ID abziehen, da es sonst zu einer Verschwendung kommt der Erinnerung. 🎜

🎜🎜GETBIT🎜🎜🎜🎜Verwenden Sie den GETBIT-Befehl, um den Wert des Binärbits am angegebenen Offset der Bitmap abzurufen. Die zeitliche Komplexität dieses Befehls beträgt O(1). 🎜🎜GETBIT-Schlüsseloffset🎜🎜Wenn der Eingabeoffset den maximalen Offset überschreitet, den die Bitmap derzeit besitzt, wird 0 als Ergebnis zurückgegeben. 🎜

🎜🎜BITCOUNT🎜🎜🎜🎜Mit dem Befehl BITCOUNT kann die Anzahl der Binärbits mit dem Wert 1 in der Bitmap gezählt werden. Die zeitliche Komplexität dieses Befehls beträgt O(n). 🎜🎜BITCOUNT key [start end]🎜🎜Standardmäßig zählt der BITCOUNT-Befehl die Binärbits in allen in der Bitmap enthaltenen Bytes. Er kann auch den optionalen Startparameter und Endparameter übergeben Zählt nur binäre Bits innerhalb des angegebenen 🎜Byte🎜-Bereichs (keine binären Offsets). Sie möchten beispielsweise die Anzahl der Binärzahlen mit dem Wert 1 in den beiden Bytes von ar zählen: 🎜rrreee🎜Die Start- und Endparameter unterstützen auch die Verwendung negativer Indizes. Die folgende Verwendung entspricht der oben genannten: 🎜 rrreee

🎜🎜BITPOS🎜🎜🎜🎜Suchen Sie durch Ausführen des BITPOS-Befehls das erste Binärbit, das auf den angegebenen Wert in der Bitmap gesetzt ist, und geben Sie den Offset dieses Binärbits zurück. 🎜🎜BITPOS-Schlüsselwert [Start Ende]🎜🎜BITPOS akzeptiert auch optionale Startparameter und Endparameter, sodass der BITPOS-Befehl nur in Binärbits innerhalb des angegebenen 🎜Byte🎜-Bereichs suchen kann. 🎜rrreee🎜Grenzverarbeitung: 🎜

• Wenn Sie versuchen, ein binäres Bit mit dem Wert 1 in einer Bitmap zu finden, die nicht existiert, oder in einer Bitmap, in der alle Bits auf 0 gesetzt sind, gibt der BITPOS-Befehl -1 als zurück Ergebnis.
• Wenn Sie in einer Bitmap, in der alle Bits auf 1 gesetzt sind, nach einem Binärbit mit dem Wert 0 suchen, gibt der Befehl BITPOS als Ergebnis den maximalen Offset der Bitmap plus 1 zurück

🎜🎜BITOP🎜🎜🎜🎜Verwenden Sie den BITOP-Befehl, um bestimmte binäre Bitoperationen für eine oder mehrere Bitmaps auszuführen und die Operationsergebnisse im angegebenen Schlüssel zu speichern. 🎜🎜BITOP operation destkey key [key ...]🎜

operation 参数的值可以是 AND、OR、XOR、NOT 中的任意一个，这 4 个值分别对应逻辑并、逻辑或、逻辑异或和逻辑非 4 种运算，其中 AND、OR、XOR 这 3 种运算允许用户使用任意数量的位图作为输入，而 NOT 运算只允许使用一个位图作为输入。BITOP 命令在将计算结果存储到指定键中之后，会返回被存储位图的字节长度。

当 BITOP 命令在对两个长度不同的位图执行运算时，会将长度较短的那个位图中不存在的二进制位的值看作 0。

redis> set foo1 bar
OK
redis> set foo2 aar
OK
redis> bitop or res foo1 foo2
(integer) 3
redis> get res"car"



注意：BITOP 可能是一个缓慢的命令，它的时间复杂度是 O(N)，在处理长字符串时应注意一下效率问题。

应用场景

用户行为记录器

用用户 ID 作为偏移量，若用户做了某种行为则通过 SETBIT 将二进制位设置为 1，通过 GETBIT 判断用户是否做了某种行为，通过 BITCOUNT 可以知道有多少用户执行了行为。

用户上线统计

可以使用 SETBIT 和 BITCOUNT 来实现，以用户 ID 作为 key ，假设今天是上线统计功能开放的第一天，ID 为 1 的用户上线后就通过 SETBIT 1 0 1。当要计算此用户的总共以来的上线次数时，使用 BITCOUNT 命令就可以得出的结果。

使用这种方式存储数据，即使 10 年后，1个用户就只占用几百字节的内存，它的处理速度依然很快。如果 bitmap 数据比较大，建议将 bitmap 拆分成多个小的 bitmap 分别进行处理。

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