BitMaps

1.1 BitMaps简介

redis在2.2.0 版本之后添加了bitmaps操作，bitmaps事实上并不是一种新的数据类型，而是基于字符串位操作的集合，由于字符串是二进制安全的，并且最长可支持512M，所以它们可以用来存储2的32次方（512 * 1024 * 1024 * 8 ）不同位的数据。

bitmaps的位操作分成两组：

1）固定时间的单个位操作，比如把字符串的某个位设置为1或者0，或者获取某个位上的值

2）对于一组位的操作，对给定的比特范围内，统计设定值为1的数目。

bitmaps最大的优势是在存储数据时可以极大的节省空间，比如在一个项目中采用自增长的id来标识用户，就可以仅用512M的内存来记录40多亿用户的信息

Bitmaps本身不是一种数据结构，他实际上就是一个可以进行位运算的字符串

1.2 BitMaps位图原理

刚刚我们了解到，bitmaps不是一种新的数据类型，其实是以一种位运算的方式来操作原有的字符串而已。

假设我们存储了asd字符串在redis当中，a的ASCII为97，对应的为115、100，那么对应的二进制数据图如下：

getbit key offset

• 说明：获取指定key偏移量位置的二进制值。
• offset：偏移量

getbit命令示例：

127.0.0.1:6379> set test1 asd
OK
127.0.0.1:6379> getbit test1 0
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit test1 1
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit test1 2
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit test1 3
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit test1 4
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit test1 5
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit test1 6
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit test1 7
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit test1 8
(integer) 0
127.0.0.1:6379>

图解：

setbit key offset value

• 说明：设置key的指定偏移量上的值
• offset：索引偏移量（从0开始计算）
• value：具体的值（只能是0或1）

示例：

127.0.0.1:6379> setbit test2 0 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test2 1 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test2 8 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test2 10 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test2 12 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> 

图解：

咱们看上图能分析，如果偏移量间隔过大，那么势必会造成中间补0现象较大

例如：

setbit test2 300 1

注意：在第一次setbit时， 如果偏移量非常大， 那么意味着前面的空出都需要0位来补充， 因此会造成Redis的阻塞。

bigcount key [start end]

• 说明：统计指定key的二进制位上的1的个数，不指定start和end就获取全部
• start：其实索引
• end：终止索引

127.0.0.1:6379> bitcount test2
(integer) 6
127.0.0.1:6379>

bitop operation destkey key [key...]

• 说明：用于多个BitMap做交集（and）、并集（or）、非（not）、异或（xor）操作，并将其结果计算保存到新的key中
• operation：操作类型
  • and：交集
  • or：并集
  • not：非
  • xor：异或
• destkey：存储计算的结果

and

与（&），取交集，有假为假

127.0.0.1:6379> setbit test3 0 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test3 1 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test3 2 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test3 3 0
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test4 0 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test4 1 0
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test4 2 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit test4 3 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit and-test 0
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit and-test 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit and-test 2
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit and-test 3
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit and-test 4

or

或（|），按位非操作只能指定一个key，代表对哪个key进行”按位非”操作，有真为真

127.0.0.1:6379> bitop or or-test test3 test4
(integer) 1
127.0.0.1:6379> bitcount or-test
(integer) 4
127.0.0.1:6379> getbit or-test 0
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit or-test 1
(integer) 1
127.0.0.1:6379>

not

非（~），按位取反，1为0，0为1，按位取反时如果不够8的整数位后面的均会以0补齐

127.0.0.1:6379> bitcount not-test
(integer) 5
127.0.0.1:6379> getbit not-test 0
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit not-test 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit not-test 2
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit not-test 3
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit not-test 4
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit not-test 5
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit not-test 6
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit not-test 7
(integer) 1
127.0.0.1:6379>

xor

异或（^），相同为1，不同为0

127.0.0.1:6379> bitop xor xor-test test3 test4
(integer) 1
127.0.0.1:6379> bitcount xor-test
(integer) 2
127.0.0.1:6379> getbit xor-test 0
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit xor-test 1
(integer) 1
127.0.0.1:6379> getbit xor-test 2
(integer) 0
127.0.0.1:6379> getbit xor-test 3
(integer) 1
127.0.0.1:6379>

1.3 bitmaps应用场景

• 统计每天、每月网站的用户登录数量
• 统计每天、每月网站的用户访问数量
• 统计每天、每月文件被下载数
• 统计xxx-xxx时间内网站登录用户
• 统计本月未打卡人数
• …

案例：统计周期内用户登录的人数

setbit 登录日期 用户id 是否登录

127.0.0.1:6379> setbit pv:2020-0101 0 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit pv:2020-0101 3 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit pv:2020-0101 6 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit pv:2020-0101 9 0
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit pv:2020-0102 2 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit pv:2020-0102 5 0
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setbit pv:2020-0102 8 1
(integer) 0

统计2020年1月1日到2020年1月2日有多少用户登录过。

127.0.0.1:6379> bitop or pv:01-02 pv:2020-0101 pv:2020-0102
(integer) 2
127.0.0.1:6379> bitcount pv:01-02
(integer) 5
127.0.0.1:6379> 

1.4 BitMap总结

bitmap操作起来这么复杂，为什么我们还要使用它呢？

因为bitmap存储单位是”位”，咱们计算机最小的存储单位都是byte（字节），而一个字节是8个位，因此存储效率明显是bitmap高多了，而实际开发中id往往是Long类型进行存储（8个字节），8*8=64。因此存储效率可想而知，但由于bitmap直接操作的是”位”，操作起来不方便，在开发中操作”位”给开发者带来一定的困难，需要花费一定的时间来操作，因此在数据结构的角度上来看，bitmap实质上是采取时间换空间的操作

• 优点：存储效率高
• 缺点
  • 操作不便，给开发者带来一定的困难
  • setbit偏移量较高时，需要补零，造成redis阻塞。