Redis学习之深入了解Bitmaps
- 青灯夜游转载
- 2022-02-07 09:59:353056浏览
本篇文章带大家了解一下Redis中的Bitmaps，详细介绍 Bitmaps 概念，操作以及常见应用，希望对大家有所帮助！
Redis版本：6.2.6
一、简单介绍 Bitmaps
位图不是实际的数据类型，而是在 String 类型上定义的一组面向位的操作。由于字符串是二进制安全的 blob，并且它们的最大长度为 512 MB，因此它们适合设置多达 2^32 个不同的位。【相关推荐：Redis视频教程】
上述是Redis官网对 Bitmaps 的介绍，简单理解 Bitmaps 就是 Redis 提供的一系列直接操作 String 的位的指令，比如我们现在有一个字符串 ：“a”
127.0.0.1:6379> set k1 a OK 127.0.0.1:6379> get k1 "a"
a 的二进制是：0110 0001，我们可以利用 [ GETBIT key offset ]指令，获取这个字符串对应 位 的数值：
127.0.0.1:6379> getbit k1 0 (integer) 0 127.0.0.1:6379> getbit k1 1 (integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit k1 2 (integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit k1 3 (integer) 0 127.0.0.1:6379> getbit k1 4 (integer) 0 127.0.0.1:6379> getbit k1 5 (integer) 0 127.0.0.1:6379> getbit k1 6 (integer) 0 127.0.0.1:6379> getbit k1 7 (integer) 1
这个指令中的 offset 表示偏移量，如上面展示可以看到，偏移 1 位，2 位，7 位的数值是 1，其他位是 0，对应的二进制就是：0110 0001，这是字符 a 的 ASCII 值。
接下来我们可以利用 [SETBIT key offset value ] 指令，去改变某一位的值，比如：
127.0.0.1:6379> setbit k1 6 1 //偏移6位，置为1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> get k1 "c"
如上，我们设置偏移量为 6 的位置数值为 1，这样这个二进制对象就变成了: 0110 0011，对应的就是字符 ”c“ ，我们通过 直接操作字符串的位 改变了字符串的值。
Bitmaps 在redis中是按位操作字符串的工具，根据这个工具，我们可以将字符串当作一组二进制数组来使用，我们举一个简单的例子：
如何记录十亿用户的在线状态？
这里我们 用一串二进制来记录这十亿用户的登录状态，二进制的每一位都代表一个用户，0 代表未登录，1 代表已登录，每次登录或登出都利用 Bitmaps 去更新对应位的数值，最终形成的结果看起来就是这样的：
我们用上面的一串二进制记录了这十亿用户的登录状态，为什么要这么做？ 主要就是节省空间，读取或更新速度快
我们来算一下这种存储方式所需要的存储空间大小：
十亿用户，每一个用户占 1 bit 所需空间 = 1000000000 bit = 1000000000 / 8 / 1024 / 1024 = 119 MB
以 MySQL 为例，存储需要的空间大小：
假设仅有两个字段：用户id，在线状态 用户id为BIGINT类型，大小为：8 Bytes 在线状态使用TINYINT类型，大小为：1 Bytes 所需空间 = 1000000000 * (8 + 1) Bytes = 9000000000 Bytes = 8583 MB
差距显而易见，这也很好理解，使用 MySQL 或者Redis 的 Hash 存储，最小单元都是 字节，和直接操作 位 自然无法比较。
以上是对 Redis 的 Bitmaps 的简单介绍，接下来会介绍一下关于 Bitmaps 的基础命令以及应用。
二、Bitmaps的操作
SETBIT
时间复杂度： O(1)
SETBIT key offset value
更新指定 key 的 offset 位置处的值，value 只可以是 0 或 1
需要注意：
1、offset 表示偏移量，最大为 2 32-1（(因为最大是512MB，符号占1位)。
2、分配内存，一次分配之后，后续相同的key不会再有分配开销，官网描述：在 2010 款 MacBook Pro 上，设置位数 2 32-1（512MB 分配）大约需要 300 毫秒。
3、返回值，返回对应 offset 操作之前的值。
GETBIT
时间复杂度： O(1)
GETBIT key offset
返回存储在key的字符串值中offset处的位值。
需要注意：
当 key 不存在，或者 offset 超出范围时，返回整数 0
BITCOUNT
时间复杂度： O(n)
BITCOUNT key [start end [BYTE|BIT]]
计算字符串中 1 的数量
示例： 127.0.0.1:6379> set k1 a OK 127.0.0.1:6379> BITCOUNT k1 (integer) 3 127.0.0.1:6379> set k1 aa OK 127.0.0.1:6379> BITCOUNT k1 (integer) 6 127.0.0.1:6379> BITCOUNT k1 0 0 (integer) 3 127.0.0.1:6379> BITCOUNT k1 0 1 (integer) 6 127.0.0.1:6379> BITCOUNT k1 0 -1 (integer) 6
需要注意：
1、start 和 end 参数指的是Byte，不是bit，官网介绍在7.0版本之后才可以指定 Byte或bit。
2、如果key 不存在，统计出来是0
3、时间复杂度是 O(n)，这个n是指start 和 end 参数之间的数据量，所以数据量过大时善用start 和 end，或者多建几个key。
BITOP
时间复杂度： O(n)
BITOP operation destkey key [key ...]
在多个键（包含字符串值）之间执行按位运算并将结果存储在目标键中
其中 operation有 ：AND，OR，XOR 和 NOT
destkey是指目标key，将后面的多个 key 进行按位操作后，储存在 destkey 中
// AND，按位与 127.0.0.1:6379> set k1 a OK 127.0.0.1:6379> set k2 aa OK 127.0.0.1:6379> set k3 aaa OK 127.0.0.1:6379> bitop and dk1 k1 k2 k3 (integer) 3 127.0.0.1:6379> get dk1 "a\x00\x00"
如上面示例，将 k1 ，k2，k3，进行按位与之后结果储存在 dk1 中，dk1 后面的 \x00 是十六进制， a\x00\x00 转换成二进制就是： 0110 0001 0000 0000 0000 0000。
// OR，按位或 127.0.0.1:6379> bitop or dk2 k1 k2 k3 (integer) 3 127.0.0.1:6379> get dk2 "aaa" --------------------- //XOR ，按位异或 127.0.0.1:6379> bitop xor dk3 k1 k2 k3 (integer) 3 127.0.0.1:6379> get dk3 "a\x00a" --------------------- //NOT，取反 0110 0001 取反 -> 1001 1110 -> 十六进制 \x9e 127.0.0.1:6379> bitop not dk4 k1 (integer) 1 127.0.0.1:6379> get dk4 "\x9e"
BITPOS
时间复杂度： O(N)
BITPOS key bit [start [end [BYTE|BIT]]]
返回字符串中设置为 1 或 0 的第一位的位置。
示例 127.0.0.1:6379> setbit k1 4 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit k1 13 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> bitpos k1 1 (integer) 4 127.0.0.1:6379> bitpos k1 1 0 0 (integer) 4 127.0.0.1:6379> bitpos k1 1 1 1 (integer) 13
需要注意：
1、这里的 start 、end 参数指的是 Byte，在7.0版本后可以指定 Byte或bit。
2、bitpos 、 setbit 、 getbit 遵循相同的位位置约定。
3、查询 1 时，不存在的 key 或者 对应范围的字符串全是 0 ，返回 -1。
4、查询 0 时，有三种特殊情况：
k2 = 1111 1111 , k3 不存在 --------------------------- // 不指定范围或仅指定 start，且值全是1，这时候会查出来最右侧的1的位置 + 1，可以视为右侧填充了0 127.0.0.1:6379> BITPOS k2 0 (integer) 8 --------------------------- // 不指定范围或仅指定 start，且key不存在，返回0 127.0.0.1:6379> BITPOS k3 0 (integer) 0 --------------------------- // 指定范围，且范围内没有0，返回 -1 127.0.0.1:6379> BITPOS k2 1 1 (integer) -1
BITFIFLD
BITFIELD key [GET encoding offset] [SET encoding offset value] [INCRBY encoding offset increment] [OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL]
该命令将 Redis 字符串视为位数组，并且能够处理不同位宽和任意非（必要）对齐偏移量的特定整数字段，该命令有get、set、incrby操作
就是说可以利用这个命令，按位分段的处理字符串，举个例子：
127.0.0.1:6379> set k1 aaa OK
| a | a | a |
|---|---|---|
| 0110 0001 | 0110 0001 | 0110 0001 |
k1的二进制如上表格所示，接下来我们使用BITFIFLD命令来操作 k1
GET：
// u8 = 无符号 + 8 位 ； 0 = 从第0位开始 // 获取到的结果就是 : 0110 0001 ，无符号转换成十进制就是 97 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 get u8 0 1) (integer) 97
// i8 = 有符号 + 8 位 ； 1 = 从第一位开始 // 结果 = 1100 0010 ，带符号转换成十进制就是 -62 （不理解为啥是-62可以看一下补码） 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 get i8 1 1) (integer) -62
SET：
// 将0-7位，变成98，也就是: 0110 0010 ，这对应的就是b,所以第一个字符变成了 b 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 set u8 0 98 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> get k1 "baa" ------------------------------------------ 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 set u8 #1 98 // #1的意思是 从第二个 8 位开始 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> get k1 "bba"
INCRBY：递增或者递减
// -1 表示递增或递减的数值，k1 的0-7位 减1，结果是97，k1就变成了 "aba" 127.0.0.1:6379> get k1 "bba" 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 incrby u8 0 -1 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> get k1 "aba" 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 incrby u8 #1 -1 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> get k1 "aaa"
在使用 INCRBY 进行递增或递减操作时，有 溢出控制 ，而且 Redis 提供了三种行为来控制溢出：
WRAP ：环绕，在无符号整数的情况下，换行就像对整数可以包含的最大值进行模运算
// 以 u8 为例，无符号，8位，那么最大值是 256 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 get u8 0 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 overflow WRAP incrby u8 0 256 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 overflow WRAP incrby u8 0 257 // 97 + 257 = 97+257-256 = 98 1) (integer) 98 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 overflow WRAP incrby u8 0 200 // 98 + 200 = 298 - 256 = 42 1) (integer) 42
在有符号的情况下，向上溢出到负值，向下溢出到正值，以 i8 为例 127 + 1 到 -128
127.0.0.1:6379> set k1 aaa OK 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 get u8 0 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 incrby i8 0 30 1) (integer) 127 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 incrby i8 0 1 1) (integer) -128 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 incrby i8 0 -1 1) (integer) 127
SAT： 使用饱和算法，即下溢时设置为最小整数值，溢出时设置为最大整数值。
// u8时，最大255 最小 0 127.0.0.1:6379> set k1 aaa OK 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 get u8 0 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 overflow SAT incrby u8 0 20000 1) (integer) 255 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 overflow SAT incrby u8 0 -213123 1) (integer) 0
FAIL：在此模式下，不会对检测到的上溢或下溢执行任何操作。相应的返回值设置为 NULL 以向调用者发出条件信号。就是说，溢出就返回 NUll。
127.0.0.1:6379> set k1 aaa OK 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 get u8 0 1) (integer) 97 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 overflow FAIL incrby u8 0 200 1) (nil) 127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 overflow FAIL incrby u8 0 -98 1) (nil)
另外，以上的 BITFIELD 命令可以多个一起使用：
127.0.0.1:6379> BITFIELD k1 overflow FAIL incrby u8 0 -98 get u8 0 1) (nil) 2) (integer) 97
BITFIELD_RO
BITFIELD命令的只读变体。它就像原始的BITFIELD一样，但只接受GET子命令并且可以安全地用于只读副本。
Bitmaps 的应用
在上面的描述中，介绍了 Bitmaps 可以记录用户的在线状态，除此之外还可以用他做那些功能呢？
首先我们来总结一下Bitmaps的特点：
- 只有 0 和 1 两种状态(描述的信息比较局限)
- 占用的内存非常少
- 存取速度极快 (set，get操作时间复杂度都是O(1))
基于这些特点，我们可以用 Bitmaps 来判断数据是否存在于某个集合中、也可以用于记录用户的一些行为比如登录或者某个页面的查看，关闭，签到等等，接下来我们举几个比较常见的例子。
日活统计
如何统计当前系统每天登录的用户数量？
使用Redis的Bitmaps，将 系统名+日期设置为key 如 zcy20211215，value中使用用户的Id做offset，用 0 和 1 记录用户在当天是否登录过，登录将对应的位设置为1。
这样做之后，每天可以得到一个Bitmaps，如果想获取某天登录过的用户数量，直接使用 BITCOUNT 操作即可。
如果想统计过去 30 天都登录过的用户，可以使用 BITOP AND 操作，将那 30 天的Bitmaps进行 按位与 操作。
布隆过滤器
布隆过滤器的本质是 Hash映射算法 + Bitmaps。
如图，一个 value 进入布隆过滤器，经过多个Hash算法，获取其映射在Bitmap上的位置，当所有的位置都为1时，则认为这个 value 在过滤器中，否则就认为不存在。
营销数据统计
Bitmaps 在营销系统中可以用到的场景很多：
用户画像信息的使用，一个用户有很多中标签并且无限扩展，比如 性别，是否是程序员，单身，租房，是否养宠物，我们都可以考虑用Bitmap储存和使用。
用户的行为，是否点击了广告，是否浏览到底部，是否领取优惠券等行为分别用一个Bitmap存储，用法和上面的用户画像类似。
这里举一个小例子，看一下Bitmaps在营销系统中的使用：
假设我们有一个一亿用户的电商应用，产品提了这样一个需求：
所有的男性用户在进入应用首页时，弹出一个 防脱发保健品 的广告弹窗
需求很简单，一个接口搞定，用户进入时调用 获取广告 的接口，接口中查询数据库判断是否为男性，是返回广告内容，否返回空。
这时候产品觉得这种推送不够精准，也未必男性都会掉头发，所以增加了条件： 程序员，我们的需求就变成了：
所有的 男性 且职业为 程序员 的用户在进入应用首页时，弹出一个 防脱发保健品 的广告弹窗
加了一个条件之后依然很简单，用户的 性别 和 职业 信息极有可能存在一张表，也是一次查询即可。
然而，男性程序员脱发的概率很高，但是未必都买得起防脱发保健品，这时候需要推送的更精准一点，所以再新增一个条件：在平台上月均消费超过五百 ，这个条件和上述的 男性、程序员 这两个条件大概率不在同一个表中，如果用上面的方案，那就是再增加一次DB查询，速度慢且对数据库开销大，这个时候 Bitmaps 的效果就很明显了。
现有的条件是：男性、程序员、在平台上月均消费超过五百
在这个场景中，如果要使用 Bitmaps，首先要把数据加载到Redis里，可以用一种简单粗暴的方法，直接遍历数据库，把需要用的标签信息加载到Redis中：
// 用户标签加载伪代码
public Boolean loadUserLabel() {
// 用户性别 bitmap 数据加载
String key = "user_label_sex_male";
List<User> users = userDao.queryUser();
users.forEach(
t->{
if (Objects.equals(t.getSex(),"male")) {
jedis.setbit(key,t.getId(),"1");
}
}
);
return true;
}经过上述代码，将用户的性别加载到了 redis 的 bitmap中，其他的标签如 职业、消费大于五百，与此类似。
在Redis中有了我们所需的用户标签信息后，就可以开始使用了，像我们上述的需求，可以用 BITOP 命令的 AND操作，将男性、程序员、月均消费大于五百这三个Bitmap 生成一个 同时满足这三个条件的 Bitmap，标签过多的时候可以这样做。在这里我们就三个条件，可以简单一点直接在代码里查三次：
// 用户首页广告获取伪代码
public Response getHomepageAds(User user) {
// 这里写死，实际使用中是动态配置
String maleKey = "user_label_sex_male";
String programmerKey = "user_label_occupation_programmer";
String spendMonth500Key = "user_label_spend_month_500";
//去bitmap判断，该位为1，则满足条件
if (jedis.getbit(maleKey,user.getId()) && jedis.getbit(programmerKey,user.getId())
&& jedis.getbit(spendMonth500Key,user.getId())) {
return "内容";
}
return "没有广告";
}上面就是一个Bitmap在营销系统中应用的小例子，可以在这基础上进行很多扩展，比如每个标签的实时的增量加载，每个广告和标签的绑定关系的动态配置，标签的自动生成等等等等。。。。
我们接下来可以看一下 Bitmaps 在用户行为记录中的应用，现在产品提了一个新的需求：
我想知道有多少用户点进了我们的弹窗广告
点击弹窗广告之后，前端发送请求，后端记录用户的点击状态：
// 用户点击广告行为记录伪代码
public Response getHomepageAds(User user) {
String adActionKey = "homepage_ad_action_open";
jedis.setbit(adActionKey,user.getId(),"1");
}后面如果想统计数量，可以直接用 BITCOUNT 命令。其他行为的记录和这个相似，如是否拖动到底部，停留时间是否大于n秒等等，这里就不做赘述啦。
协同制图
这个例子来源于Redis官网，是 Reddit 在 2017 年愚人节的一个游戏 r/place，这是一个非常有趣的 Bitmaps 的应用。
游戏介绍：
一个画板，上面有1000 * 1000 个像素点，每个玩家每五分钟可以编辑一个像素点(有十六种颜色提供选择)，参与的玩家数量不限，72 小时后截止。
游戏很简单，每个人只要编辑像素点的颜色即可，17 年的活动最终形成了这个画（这里是一部分）：
这里面有一百万个像素点，据统计至少十万人参与了这个游戏，并发量很高，如何保证可用性呢？Reddit 在这里就使用了 Redis 的 Bitmap：
先定义画板中的像素的位置，用 x 表示横坐标，y 表示纵坐标，每一个像素点的位置都对应 Bitmap 的一个offset。
用户编辑像素点时，将 位置信息(x,y) 和 颜色信息 用 Bitmap 储存，读取画板数据也是直接利用 Bitmap。
思路很简单，主要是解决下面两个问题：
1、坐标和Bitmap之间的映射关系？ 坐标如何转换成 Bitmap的 offset，offset如何转换成画板中的 x,y 坐标。
2、如何直接利用 Bitmaps 储存一个坐标点的信息？ 这里就存颜色。
这个项目是这么做的：
1、由于总计像素点是 100 万个，所以设计了公式： x + 1000y = offset
储存时，将 (x,y) 转换成 offset ，比如 (1,2) 位置，那么 offset = 1 + 2000 = 2001
读取时，将 offset 转换成(x,y)，比如 offset = 9008，那么 x = 9008 % 1000 = 8，y = 9008 / 1000 = 9
2、利用 Bitmaps 的 BITFIELD 命令，进行分段操作：
玩家可选择的颜色共 16 种，那么每个点至少需要 4 位，所以使用 BITFIELD 时，操作的位数字段应该是 u4
看起来就是这样的：
上面是这个游戏对于 Bitmaps 应用的简单介绍，具体实现及源码见文末Reddit 团队的博客。
利用 BITFIELD 命令，还可以判断数据是否重复，比如有 10 亿个整数，如何找出其中重复的数据？ 每个数可以给 2 位，01表示出现一次，10表示有重复。
四、小扩展
当用户 Id 不是自增 Id，该如何使用 Bitmaps？
在实际开发中，用户的Id有可能不是自增的，比如使用雪花算法，或UUID工具生成的Id，这种情况直接使用 Bitmaps 是不行的，偏移量过大。这时候可以参考 布隆过滤器 ，设计一个Id的映射算法，将用户Id映射在一定范围内。
Bitmaps 进行持久化存储时，如何节省空间？
使用压缩算法，如 RLE算法
在使用Bitmaps时，会有大量连续的位置数据重复，这些重复就有压缩的空间，比如前 1000 位都是 0，那只用存一句 1000个0即可，而不是 00000...这样存一千个。
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