如何使用redis的bit位操作

本文redis試驗程式碼基於以下環境：

作業系統：Mac OS 64位元

#版本：Redis 5.0.7 64 bit

運行模式：standalone mode

redis位元運算

reids位元運算也叫位元組運算、bitmap，它提供了SETBIT、GETBIT、BITCOUNT、BITTOP四個指令用來操作二進位位元組。

先來看看一波基本運算範例

SETBIT

語法：SETBIT key offset value

即：指令key 偏移量0/1

#setbit指令用於寫入位元組指定偏移量的二進位位元設定值，偏移量從0開始計數，且只允許寫入1或0，如果寫入非0和1的值則寫入失敗：

##GETBIT

語法：

GETBIT key offset

即：

指令key 偏移量

gitbit指令用於取得位元組指定偏移量上的二進位值：

BITCOUNT

語法：

BITCOUNT key

#即：

指令key

bitcount指令用來取得指定key的位元組中值為1的二進位位元的數量，之前我們寫入了偏移量0的值為1，偏移量10 的值為1，偏移量8的值為0：

BITOP

語法：

BITOP operation destkey key [key...]

即：

指令操作結果目標key key1 key2 ...

bitop指令可以對多個位元組的key進行and（位元與）、or（位元或）、xor（位元異或）運算，並將運算結果設定到destkey：

底層資料結構分析

SDS是redis中的一種資料結構，稱為簡單動態字串（Simple Dynamic String），並且它是一種二元安全的，在大多數的情況下redis中的字串都用SDS來儲存。

SDS的資料結構：

struct sdshdr {   #记录buff数组中已使用字节的数量   #也是SDS所保存字符串的长度   int len;   #记录buff数组中未使用字节的数量   int free;   #字节数组，字符串就存储在这个数组里   char buff[];  }

資料儲存範例：

圖片來源《redis設計與實作》

SDS的優點：

1. 鴻蒙官方策略合作共建－HarmonyOS技術社群

2.  時間複雜度為O(1)

3.  杜絕緩衝區溢位

4.  減少修改字串長度時候所需的記憶體重新分配次數

5.  二進位安全的API作業

6.  相容部分C字串函數

關於SDS的詳細介紹請大家參閱《redis設計與實現》一文。

redis中的位數組採用的是String字串資料格式來存儲，而字串物件使用的正是上文說的SDS簡單動態字串資料結構。

圖片來源《redis設計與實作》

大家都知道的是一個位元組用的是8個二進位​​位元來儲存的，也就是8個0或1，也就是一個位元組可以儲存十進制0~127的數字，也即包含了所有的數字、英文大小寫字母以及標點符號。

1Byte=8bit

#1KB=1024Byte

#1MB=1024KB

1GB=1024MB

位數組在redis儲存世界裡，每個位元組也是8位，初始都是：

0 0 0 0 0 0 0 0

而位元操作就是在對應的offset偏移量上設定0或1，例如將第3位元設為1，即：

0 0 0 0 1 0 0 0  #对应redis操作即：  setbit key 3 1

在此基礎上，如果要在偏移量為13的位置設定1，即：

setbit key 13 1  #对应redis中的存储为：  0 0 1 0 | 0 0 0 0 | 0 0 0 0 | 1 0 0 0

時間複雜度

#GETBIT指令時間複雜度O(1)

STEBIT指令時間複雜度O(1)

#BITCOUNT指令時間複雜度O(n)

BITOP指令時間複雜度O(n)、O(n2)

#我們來看GETBIT以及SETBIT指令的時間複雜度為什麼是O(1)，當我們執行一個SETBIT key 10086 1的值的時候，reids的計算方式如下：

取得到要寫入位數組中的哪個位元組：10086÷8=1260，需要寫入到位元組的下標1260的位元組

取得要寫入到這個位元組的第幾位：10086 mod 8 = 6，需要寫入到這個位元組的下標為6即第7位元上去。

透過這兩種計算方式大家可以清楚的看到，位元操作的GETBIT和SETBIT都是常數計算，因此它的時間複雜度為O(1)。

而BITCOUNT指令需要對整個位數組的所有元素進行遍歷算出值為1的有多少個，當然redis對於大數據了的bit執行bitcount指令會有一整套複雜的最佳化的演算法，但是核心思路還是這個意思，無非是減少部分遍歷查詢次數。如果明確地以128位元為一次遍歷，那麼他需要遍歷的次數就等於所有位數除以128。

BITTOP指令則是根據不同的操作有不同的執行方式。如AND操作，則需要查看位元值為1的即可。

儲存空間計算

根據上述介紹，我們可以知道如何計算使用基於Redis的位數組資料結構儲存資料所佔用的記憶體大小。例如有100億的數據，那麼它需要的位元組數組：

1000000000÷8÷1024÷1024≈119.21MB

也就是儲存10億的資料只需要119MB左右的記憶體空間，這對於現在動輒16G、32G集群版的redis，完全沒有問題。

要注意的是，如果你的數據量不大，那就不要把起始偏移量搞的很大，這樣也是佔空間的，比如我們只需要存儲幾百條數據，但是其中的偏移量卻很大，這就會造成了很大的記憶體空間浪費。

應用程式場景

實際專案開發中有很多業務都適合採用redis的bit來實作。

使用者簽到場景

每天的日期字串作為一個key，使用者Id作為offset，統計每天使用者的簽到情況，總的使用者簽到數

活躍用戶數統計

用戶日活、月活、留存率等均可以用redis位數組來存儲，還是以每天的日期作為key，用戶活躍了就寫入offset為用戶id的位值1。

同理月活也是如此。

使用者是否在線以及總在線人數統計

使用相同的位數組，將使用者ID映射的位元偏移量設定為1表示在線，設定為0表示離線。即可實現用戶上線查詢和總在線人數的統計

APP內用戶的全域訊息提示小紅點

現在大多數的APP裡都有站內信的功能，當有訊息的時候，則提示一個小紅點，代表使用者有新的訊息。

以上是如何使用redis的bit位操作的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！