一文帶你了解redis中的位圖（bitmap）

如果使用一個set來記錄當(dāng)天活躍的用戶，當(dāng)用戶量非常大時會浪費(fèi)非常多的空間。因此redis提供了位圖(bitmap)，讓用戶可以對每一位進(jìn)行單獨(dú)操作。下面本篇文章就來帶大家了解一下redis中的位圖，希望對大家有所幫助！

位圖

位圖，即大量bit組成的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(每個bit只能是0和1)，主要適合在一些場景下，進(jìn)行空間的節(jié)省，并有意義的記錄數(shù)據(jù)，

例如一些大量的bool類型的存取，一個用戶365天的簽到記錄，簽到了是1，沒簽到是0，如果用普通的key/value進(jìn)行存儲，當(dāng)用戶量很大的時候，需要的存儲空間是很大的。

如果使用位圖進(jìn)行存儲，一年365天，用365個bit就可以存儲，365個bit換算成46個字節(jié)(一個稍長的字符串)，如此就節(jié)省了很多的存儲空間，

位圖的本質(zhì)其實(shí)是一個普通的字符串，也就是byte數(shù)組，可以使用get/set直接獲取和設(shè)置整個位圖的內(nèi)容，也可以使用 getbit/setbit 將byte數(shù)組看成bit數(shù)組來處理。【相關(guān)推薦：Redis視頻教程】

使用位操作設(shè)置字符串

正常設(shè)置字符串都使用set命令，下面我們使用setbit設(shè)置一下位數(shù)組，最后以獲取字符串的形式獲取，

首先我們獲取一下h、e兩個ASCII碼使用二進(jìn)制的表示如下，

可以看到h的二進(jìn)制碼是 01101000 , e的二進(jìn)制碼是 01100101，我們只需要注意bit是1的位置，然后進(jìn)行setbit，

需要注意的是，位數(shù)組的順序和字符的位順序是反的，根據(jù)這個原則，我們算出 h字符 每個1的位置分別是1/2/4, e字符的則是 9/10/13/15,

所以我們將使用setbit設(shè)置一個位數(shù)組，并在每個位置上(1/2/4/9/10/13/15)設(shè)置對應(yīng)的1，

setbit?data?1?1 setbit?data?2?1 setbit?data?4?1 setbit?data?9?1 setbit?data?10?1 setbit?data?13?1 setbit?data?15?1

零存整取

最后直接 get data這個key，會發(fā)現(xiàn)正好得到he，

setbit + get 的組合稱為 零存整取，零存就是一個bit一個bit的設(shè)置，整取就是通過key名字，直接get出來所有的數(shù)據(jù)，

同樣，我們還可以進(jìn)行 零存零取，整存零取，整存就是直接使用字符串設(shè)置整個位數(shù)組，零取則是通過bit的位置，進(jìn)行bit的獲取。

零存零取

可以看到，我們根據(jù)setbit，對key叫做w的位數(shù)組進(jìn)行bit設(shè)置，只設(shè)置了1/2/4這3個位置的值為1，下圖中有g(shù)etbit w 3, 獲取第三個位置的值，此時默認(rèn)是0，如果從業(yè)務(wù)角度觸發(fā)，可以理解為，一共簽到4天，第三天沒有進(jìn)行簽到，

整存零取

下午所示，我們對w的這個key，直接set了一個h字符，隨后通過getbit獲取w的位數(shù)組里的每個bit，可以看到獲取出來的內(nèi)容和上面h字符的二進(jìn)制內(nèi)容相同 1/2/4的位置是1，其余是0

注意

• redis的位數(shù)組是自動擴(kuò)充的，如果設(shè)置的某個偏移位置超出了現(xiàn)有的內(nèi)容范圍，就會自動將位數(shù)組進(jìn)行零擴(kuò)充，即擴(kuò)容的位默認(rèn)都是0值。

• 如果對應(yīng)位的字節(jié)是不可打印字符，redis-cli將會顯示該字符的十六進(jìn)制形式。

• 一個字節(jié)是8個bit(位)，要區(qū)分字節(jié)和位。

統(tǒng)計(jì)和查找 (bitcount/bitpos)

redis提供了 統(tǒng)計(jì)指令 bitcount ?和 ?位圖查找指令 bitpos ,

bitcount用來統(tǒng)計(jì)指定位置范圍內(nèi)1的個數(shù)，bitpos用來查找指定范圍內(nèi)出現(xiàn)的第一個0或1。

我們可以通過bitcount統(tǒng)計(jì)用戶一共簽到了多少天，通過bitpos指令查找用戶從哪一天開始第一次簽到，

如果指定了范圍參數(shù)[start, end]，就可以統(tǒng)計(jì)在某個時間范圍內(nèi)用戶簽到了多少天以及用戶自某天以后的哪天開始簽到，

但是需要注意的是，start和end參數(shù)是字節(jié)索引，也就是說，指定的位范圍必須是8的倍數(shù)，

而不能任意指定，所以我們無法直接計(jì)算某個月內(nèi)用戶簽到了多少天，如果需要計(jì)算的話，

可以使用getrange命令取出該月覆蓋的字節(jié)內(nèi)容，然后在內(nèi)存中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，例如2月覆蓋了10-12個字節(jié)，就使用 getrange w 8 12 。

127.0.0.1:6379>?set?w?hello????  OK  127.0.0.1:6379>?bitcount?w??????#?所有字符中有多少個1  (integer)?21  127.0.0.1:6379>?bitcount?w?0?0???#?第一個字符中?1?的位數(shù)  (integer)?3  127.0.0.1:6379>?bitcount?w?0?1???#?前兩個字符中?1?的位數(shù)  (integer)?7  127.0.0.1:6379>?bitpos?w?0???????#?第一個?0?位  (integer)?0  127.0.0.1:6379>?bitpos?w?1???????#?第一個?1?位  (integer)?1  127.0.0.1:6379>?bitpos?w?1?1?1???????#?從第二個字符算起，第一個1位  (integer)?9  127.0.0.1:6379>?bitpos?w?1?2?2???????#?從第三個字符算起，第一個1位  (integer)?17

bitfield

之前介紹的 setbit / getbit 指定位的值都是單個位，如果要一次操作多個位，就必須使用管道來處理，

在redis3.2以后，提供了bitfield指令，可以一次對多個位進(jìn)行操作，bitfield有三個子指令，分別是get/set/incrby, 都可以對指定位片段進(jìn)行讀寫，

但是最多只能處理64個連續(xù)的位，如果超過64位，就需要使用多個子指令，bitfield可以一次執(zhí)行多個子指令。

示例

下面對下圖的位數(shù)組使用 bitfield 做一些操作

127.0.0.1:6379>?bitfield?w?get?u4?0???#?從第1個位開始取4個位，結(jié)果是無符號數(shù)(u)  1)?(integer)?6  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?get?u3?2???#?從第3個位開始取3個位，結(jié)果是無符號數(shù)(u)  1)?(integer)?5  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?get?i4?0???#?從第1個位開始取4個位，結(jié)果是有符號數(shù)(i)  1)?(integer)?6  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?get?i3?2???#?從第3個位開始取3個位，結(jié)果是有符號數(shù)(i)  1)?(integer)?-3

有符號數(shù)是指獲取的位數(shù)組中的第一個位是符號位，剩下的才是值，如果第一位是1，就是負(fù)數(shù)，

無符號數(shù)表示非負(fù)數(shù)，沒有符號位，獲取的位數(shù)組全部都是值，有符號數(shù)最多可以獲取64位，

無符號數(shù)只能獲取63位，因?yàn)閞edis協(xié)議中的integer是有符號數(shù)，最大64位，不能傳遞64位的無符號值，

如果超出位數(shù)限制，redis就會告訴你參數(shù)錯誤。

上面的指令可以合并成一條指令,可以看到得到的結(jié)果是一樣的，

bitfield?w?get?u4?0?get?u3?2?get?i4?0?get?i3?2

set修改

我們從第9個位開始，用8個無符號數(shù)替換已經(jīng)存在的8個位，其實(shí)就是把第二個字符替換了，由e變成a(它的ASCII碼是97)，可以看到結(jié)果也變成了 hallo

127.0.0.1:6379>?bitfield?w?set?u8?8?97  1)?(integer)?101  127.0.0.1:6379>?get?w  "hallo"

incrby

incrby對指定范圍的位進(jìn)行自增操作，即++，這可能會發(fā)生溢出，如果增加了正數(shù)，會出現(xiàn)上溢出，如果增加的是負(fù)數(shù)，會出現(xiàn)下溢出，

redis默認(rèn)的處理是折返，即如果出現(xiàn)了溢出，就將溢出的符號位丟掉，例如，如果是8位無符號數(shù)255，加1后就全部變成0，如果是8位有符號數(shù)127，加1后就溢出變成-128。

依然根據(jù)hello字符，來演示一下 incrby

127.0.0.1:6379>?set?w?hello  OK  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?get?u4?2?????#?從第3位開始取4個無符號整數(shù)，第一次是10  1)?(integer)?10  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?11  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?12  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?13  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?14  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?15 127.0.0.1:6379>?bitfield?w?incrby?u4?2?1???#到這里的時候，已經(jīng)溢出折返成0了  1)?(integer)?0

bitfield指令提供溢出策略子指令 overflow，用戶可以選擇溢出行為，默認(rèn)是折返(wrap)，還可以選擇失敗(fail) 即報(bào)錯不執(zhí)行，還有飽和截?cái)?sat) 即超過范圍就停留在最大或最小值，

overflow指令只影響接下來的第一條指令，這條指令執(zhí)行完以后，溢出策略就會變成默認(rèn)值 折返(wrap)。

飽和截?cái)?/strong>

127.0.0.1:6379>?set?w?hello  OK  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?sat?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?11  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?sat?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?12  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?sat?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?13  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?sat?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?14  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?sat?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?15  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?sat?incrby?u4?2?1?#?接下來的都將是保持最大值  1)?(integer)?15  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?sat?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?15  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?sat?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?15

127.0.0.1:6379>?set?w?hello  OK  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?fail?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?11  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?fail?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?12  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?fail?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?13  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?fail?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?14  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?fail?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?15  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?fail?incrby?u4?2?1?#?接下來的都是失敗  1)?(nil)  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?fail?incrby?u4?2?1  1)?(nil)  127.0.0.1:6379>?bitfield?w?overflow?fail?incrby?u4?2?1  1)?(nil)

127.0.0.1:6379>?bitfield?w?set?u4?1?0?get?u4?1?incrby?u4?2?1  1)?(integer)?0  2)?(integer)?0  3)?(integer)?1  127.0.0.1:6379>?get?w  "x04ello"