深入浅析Redis中的位图(bitmap)
本篇文章带大家了解一下Redis中的位图(bitmap),希望对大家有所帮助!
Redis 的位图(bitmap)是由多个二进制位组成的数组,数组中的每个二进制位都有与之对应的偏移量(从 0 开始),通过这些偏移量可以对位图中指定的一个或多个二进制位进行操作。【相关推荐:Redis视频教程】
实际上,位图并不是 Redis 提供的一种新的数据类型,它是字符串类型的扩展。所以位图的命令可以直接使用在字符串类型的键上,位图命令操作的键也可以被字符串类型命令操作。
比如,现有一个字符串键 foo:
redis> set foo bar
1 个字节由 8 个二进制位组成,所以 foo 键的二进制形式就是:
SETBIT
通过 SETBIT 命令,可以为位图指定偏移量上的二进制位设置值,offset 必须大于等于 0,value 只能是 0 或 1。此命令的时间复杂度是 O(1)。
SETBIT 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 ...]
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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理解 Redis 源码的最佳方法是逐步进行:熟悉 Redis 基础知识。选择一个特定的模块或功能作为起点。从模块或功能的入口点开始,逐行查看代码。通过函数调用链查看代码。熟悉 Redis 使用的底层数据结构。识别 Redis 使用的算法。
