在進(jìn)入今天的主題前，先簡(jiǎn)單地解釋下Redis中的位圖到底是什么。Redis官方文檔對(duì)于位圖的介紹如下：

位圖不是一個(gè)真實(shí)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，而是定義在字符串類(lèi)型上的面向位的操作的集合。由于字符串類(lèi)型是二進(jìn)制安全的二進(jìn)制大對(duì)象，并且***長(zhǎng)度是 512MB，適合于設(shè)置 2^32個(gè)不同的位。

位操作分為兩組：常量時(shí)間單個(gè)位的操作，像設(shè)置一個(gè)位為 1 或者 0，或者獲取該位的值。對(duì)一組位的操作，例如計(jì)算指定范圍位的置位數(shù)量。

位圖的***優(yōu)勢(shì)是有時(shí)是一種非常顯著的節(jié)省空間來(lái)存儲(chǔ)信息的方式。例如，在一個(gè)系統(tǒng)中，不同用戶(hù)由遞增的用戶(hù) ID 來(lái)表示，可以使用 512MB 的內(nèi)存來(lái)表示 400 萬(wàn)用戶(hù)的單個(gè)位信息（例如他們是否需要接收信件）。 

簡(jiǎn)而言之，位圖操作是用來(lái)操作比特位的，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省內(nèi)存空間。為什么可以節(jié)省內(nèi)存空間呢？假如我們需要存儲(chǔ)100萬(wàn)個(gè)用戶(hù)的登錄狀態(tài)，使用位圖的話(huà)最少只需要100萬(wàn)個(gè)比特位（比特位1表示登錄，比特位0表示未登錄）就可以存儲(chǔ)了，而如果以字符串的形式存儲(chǔ)，比如說(shuō)以u(píng)serId為key，是否登錄（字符串“1”表示登錄，字符串“0”表示未登錄）為value進(jìn)行存儲(chǔ)的話(huà)，就需要存儲(chǔ)100萬(wàn)個(gè)字符串了，相比之下使用位圖存儲(chǔ)占用的空間要小得多，這就是位圖存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)。

位圖常用操作

位圖的常用操作如下：

• setbit

設(shè)置特定key對(duì)應(yīng)的比特位的值。

• getbit

獲取特定key對(duì)應(yīng)的比特位的值。

• bitcount

統(tǒng)計(jì)給定key對(duì)應(yīng)的字符串比特位為1的數(shù)量。

使用位圖存儲(chǔ)用戶(hù)登錄狀態(tài)

位圖的常見(jiàn)應(yīng)用是用來(lái)存儲(chǔ)狀態(tài)值，比如存儲(chǔ)用戶(hù)的登錄狀態(tài)。

假設(shè)我們現(xiàn)在有一個(gè)需求，需要記錄用戶(hù)注冊(cè)以來(lái)每天的登錄狀態(tài)，那么我們就可以以用戶(hù)id為key，然后以日期或者日期的偏移量作為下標(biāo)，將登錄狀態(tài)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的比特位中，這樣就可以很方便地獲取用戶(hù)某一天的登錄狀態(tài)了。

接下來(lái)看代碼：

public class UserLoginStatusService { 
 
    private static final String host="111.111.111.111"; 
 
    private static final int port=6379; 
 
    private static final Jedis jedis=new Jedis(host,port); 
 
    //日期的初始值（也可以理解為用戶(hù)的注冊(cè)時(shí)間）， 
    //下文需要使用日期的偏移量作為redis位圖的offset， 
    //因此需要將要保存登錄狀態(tài)的日期減去該初始日期。 
    //這里使用了Java 8的新日期API 
    private static final LocalDate beginDate=LocalDate.of(2018,1,1); 
 
    static { 
        jedis.connect(); 
    } 
 
    public void setLoginStatus(String userId, LocalDate date,boolean isLogin){ 
        long offset = getDateDuration(beginDate, date); 
        jedis.setbit(userId,offset,isLogin); 
    } 
 
    public boolean getLoginStatus(String userId,LocalDate date){ 
        long offset = getDateDuration(beginDate, date); 
        return jedis.getbit(userId,offset); 
    } 
 
    private long getDateDuration(LocalDate start ,LocalDate end){ 
        return start.until(end, ChronoUnit.DAYS); 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        UserLoginStatusService userLoginStatusService=new UserLoginStatusService(); 
        String userId="user_1"; 
        LocalDate today = LocalDate.now(); 
        userLoginStatusService.setLoginStatus(userId,today,true); 
        boolean todayLoginStatus = userLoginStatusService.getLoginStatus(userId, today); 
        System.out.println(String.format("The loginStatus of %s in %s is %s",userId,today,todayLoginStatus)); 
        LocalDate yesterday = LocalDate.now().minusDays(1); 
        boolean yesterdayLoginStatus = userLoginStatusService.getLoginStatus(userId, yesterday); 
        System.out.println(String.format("The loginStatus of %s in %s is %s",userId,yesterday,yesterdayLoginStatus)); 
    } 
 
} 

代碼不復(fù)雜，我們?cè)趍ain方法中設(shè)置當(dāng)天的登錄狀態(tài)為true，然后分別查出當(dāng)天的登錄狀態(tài)和昨天的登錄狀態(tài)，由于redis位圖的比特位默認(rèn)是0，所以該代碼的正確輸出應(yīng)該是今天已登錄，昨天未登錄，我們運(yùn)行一次看看結(jié)果。

從程序運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，Redis的位圖確實(shí)滿(mǎn)足了我們的需求，且兼有節(jié)省存儲(chǔ)空間的優(yōu)點(diǎn)。

使用位圖統(tǒng)計(jì)登錄天數(shù)

接下來(lái)我們有一個(gè)新需求，就是統(tǒng)計(jì)某個(gè)用戶(hù)注冊(cè)后前10天的登錄天數(shù)，Redis中有個(gè)bitcount命令，可以統(tǒng)計(jì)某個(gè)字符串中的比特位為1的數(shù)量，其還有2個(gè)參數(shù)start和end，表示要統(tǒng)計(jì)的范圍，咋一看好像可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)我們這個(gè)需求，但是這里有一個(gè)坑需要注意下，bitcount命令的start和end參數(shù)指的是字節(jié)的索引，而不是比特位的索引，而我們?nèi)绻褂梦粓D來(lái)統(tǒng)計(jì)某個(gè)用戶(hù)注冊(cè)后前10天的登錄天數(shù)的話(huà)，需要統(tǒng)計(jì)的是比特位索引從0到9的比特值為1的數(shù)量，所以直接使用bitcount命令顯然是無(wú)法滿(mǎn)足要求的。那么假如說(shuō)我們一定要用位圖來(lái)存儲(chǔ)登錄狀態(tài)呢，應(yīng)該咋辦呢？其實(shí)辦法還是有的。我們可以先拿到比特位索引從0到9所在的字節(jié)數(shù)組，再將該字節(jié)數(shù)組解析成二進(jìn)制形式，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出比特位索引從0到9比特值為1的數(shù)量。

要拿到比特位索引所在的字節(jié)在字節(jié)數(shù)組中的下標(biāo)比較簡(jiǎn)單，只要將比特位索引除以8（一個(gè)字節(jié)包含8個(gè)比特位）再向下取整就行了。接下來(lái)就是使用redis的getrange命令來(lái)截取字節(jié)數(shù)組了。

拿到了字節(jié)數(shù)組，接下來(lái)就是解析字節(jié)數(shù)組，統(tǒng)計(jì)其中比特值為1的數(shù)量了。我們先從最簡(jiǎn)單的單個(gè)字節(jié)說(shuō)起，假設(shè)一個(gè)字節(jié)的各個(gè)比特位的值如下：

我們?cè)O(shè)比特位索引為index，假如我們要計(jì)算比特位為7的比特值，只需要將原值直接跟1進(jìn)行與運(yùn)算就行了。要計(jì)算比特位為6的比特值，只需要將原值右移1位，再跟1進(jìn)行與運(yùn)算。以此類(lèi)推，要計(jì)算第index位的比特值，只需要先右移(7-index)位，再跟1進(jìn)行與運(yùn)算即可。

只要能夠統(tǒng)計(jì)出截取出來(lái)的的字節(jié)數(shù)組中比特位的值為1的數(shù)量，接下來(lái)再減去不包含在對(duì)應(yīng)比特索引中的比特值為1的數(shù)量，即可統(tǒng)計(jì)出給定的比特索引范圍內(nèi)比特值為1的數(shù)量。

這么說(shuō)有點(diǎn)拗口，我們以上述例子為例進(jìn)行講解吧。我們要統(tǒng)計(jì)出用戶(hù)注冊(cè)后前10天的登錄天數(shù)，如果用位圖存儲(chǔ)用戶(hù)登錄狀態(tài)，位圖中的索引為注冊(cè)天數(shù)的話(huà)，那么我們需要統(tǒng)計(jì)比特索引從0到9的比特值為1的數(shù)量，才能計(jì)算出該用戶(hù)注冊(cè)后前10天的登錄天數(shù)。

我們先計(jì)算出比特索引從0到9包含在哪一段字節(jié)數(shù)組中，前面說(shuō)了，只需要將對(duì)應(yīng)的索引除以8，再向下取整就行了。從而可以得知比特位索引從0到9對(duì)應(yīng)的是下標(biāo)從0到1的字節(jié)數(shù)組。

接下來(lái)使用getrange命令截取該字節(jié)數(shù)組，假設(shè)其值如下：

假設(shè)比特索引0到9對(duì)應(yīng)的字節(jié)數(shù)組的比特值情況如上所示，我們需要統(tǒng)計(jì)的是***個(gè)字節(jié)（下標(biāo)為0）中的0到7位中比特值為1的數(shù)量，再加上第二個(gè)字節(jié)（下標(biāo)為1）中的第0到1位中比特值為1的數(shù)量。加起來(lái)剛好10位，也就是對(duì)應(yīng)用戶(hù)注冊(cè)前10天的登錄天數(shù)。當(dāng)然我們也可以統(tǒng)計(jì)出這2個(gè)字節(jié)中的比特值為1的總數(shù)，再減去第二個(gè)字節(jié)的從2到7位（上述表格標(biāo)紅的地方）中比特值為1的數(shù)量，也可統(tǒng)計(jì)出該用戶(hù)注冊(cè)后前10天的登錄天數(shù)。本文用的是第二種方法。

接下來(lái)上代碼：

private static final int BIT_AMOUNT_IN_ONE_BYTE =8; 
 
    private Jedis jedis; 
 
 
    public int bitCountByBitIndex(String key, long startBitIndex, long endBitIndex) { 
        int startByteIndex = getByteIndexInTheBytes(startBitIndex); 
        int endByteIndex = getByteIndexInTheBytes(endBitIndex); 
        byte[] bytes = jedis.getrange(key.getBytes(), startByteIndex, endByteIndex); 
        int totalBitInBytes = getTotalBitInBytes(bytes); 
        int startBitIndexInFirstByte = getBitIndexInTheByte(startBitIndex); 
        int endBitIndexInLastByte = getBitIndexInTheByte(endBitIndex); 
        byte firstByte = bytes[0]; 
        byte lastByte = bytes[bytes.length-1]; 
        for(int i=7;i>(BIT_AMOUNT_IN_ONE_BYTE-1-startBitIndexInFirstByte);i--){ 
            if(((firstByte>>i)&1)==1){ 
                totalBitInBytes--; 
            } 
        } 
        for(int i=0;i<(BIT_AMOUNT_IN_ONE_BYTE-1-endBitIndexInLastByte);i++){ 
            if(((lastByte>>i)&1)==1){ 
                totalBitInBytes--; 
            } 
        } 
 
        return totalBitInBytes; 
    } 
 
    private int getTotalBitInBytes(byte[] bytes){ 
        int count=0; 
        for(byte b:bytes){ 
            for(int i = 0; i< BIT_AMOUNT_IN_ONE_BYTE; i++){ 
                if(((b>>i)&1)==1){ 
                    count++; 
                } 
            } 
        } 
        return count; 
    } 
 
    private int getByteIndexInTheBytes(long offset){ 
        return (int) offset/ BIT_AMOUNT_IN_ONE_BYTE; 
    } 
 
    private int getBitIndexInTheByte(long offset){ 
        return (int)(offset-offset/ BIT_AMOUNT_IN_ONE_BYTE * BIT_AMOUNT_IN_ONE_BYTE); 
    } 

代碼就不注釋了，整體思路已經(jīng)在上面講解了。

當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)本文所述的功能，也不一定非要這么做，還是有其他的方案的。比如：可以將放入位圖的offset統(tǒng)一乘以8（一個(gè)字節(jié)占8比特），這樣一來(lái)就可以直接用redis的bitcount來(lái)統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)索引范圍內(nèi)的比特值為1的數(shù)量了，當(dāng)然這種方案的缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯，就是浪費(fèi)內(nèi)存，因?yàn)樵戎恍枰?比特存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在需要8比特存儲(chǔ)，所以這種方案不能很好地利用位圖索引節(jié)省存儲(chǔ)空間的特點(diǎn)。