本文主要和大家分享一下redis的高級特性：bit位操作。

力求讓大家徹底學會使用redis的bit位操作并掌握其底層實現(xiàn)原理！主要包含以下內(nèi)容：

1.  redis位操作命令示例
2.  底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析
3.  為什么他的算法時間復雜度是O(1)?
4.  10億數(shù)據(jù)量需要多大的存儲空間？
5.  redis位操作適合哪些應(yīng)用場景？

本文redis試驗代碼基于如下環(huán)境：

操作系統(tǒng)：Mac OS 64位

版本：Redis 5.0.7 64 bit

運行模式：standalone mode

redis位操作

reids位操作也叫位數(shù)組操作、bitmap，它提供了SETBIT、GETBIT、BITCOUNT、BITTOP四個命令用于操作二進制位數(shù)組。

先來看一波基本操作示例

SETBIT

語法：SETBIT key offset value

即：命令 key 偏移量 0/1

setbit命令用于寫入位數(shù)組指定偏移量的二進制位設(shè)置值，偏移量從0開始計數(shù)，且只允許寫入1或者0，如果寫入非0和1的值則寫入失?。?/p>

GETBIT

語法：GETBIT key offset

即：命令 key 偏移量

gitbit命令用于獲取位數(shù)組指定偏移量上的二進制值：

BITCOUNT

語法：BITCOUNT key

即：命令 key

bitcount命令用于獲取指定key的位數(shù)組中值為1的二進制位的數(shù)量，之前我們寫入了偏移量0的值為1，偏移量10 的值為1，偏移量8的值為0：

BITOP

語法：BITOP operation destkey key [key...]

即：命令 操作 結(jié)果目標key key1 key2 ...

bitop命令可以對多個位數(shù)組的key進行and（按位與）、or（按位或）、xor（按位異或）運算，并將運算結(jié)果設(shè)置到destkey中：

底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

SDS是redis中的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，叫做簡單動態(tài)字符串（Simple Dynamic String），并且它是一種二進制安全的，在大多數(shù)的情況下redis中的字符串都用SDS來存儲。

SDS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 

struct sdshdr {  
 #記錄buff數(shù)組中已使用字節(jié)的數(shù)量  
 #也是SDS所保存字符串的長度  
 int len;  
 #記錄buff數(shù)組中未使用字節(jié)的數(shù)量  
 int free;  
 #字節(jié)數(shù)組，字符串就存儲在這個數(shù)組里  
 char buff[];  
} 

數(shù)據(jù)存儲示例：

圖片來源《redis設(shè)計與實現(xiàn)》

SDS的優(yōu)點：

1.  時間復雜度為O(1)
2.  杜絕緩沖區(qū)溢出
3.  減少修改字符串長度時候所需的內(nèi)存重分配次數(shù)
4.  二進制安全的API操作
5.  兼容部分C字符串函數(shù)

關(guān)于SDS的詳細介紹請大家參閱《redis設(shè)計與實現(xiàn)》一文。

redis中的位數(shù)組采用的是String字符串數(shù)據(jù)格式來存儲，而字符串對象使用的正是上文說的SDS簡單動態(tài)字符串數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖片來源《redis設(shè)計與實現(xiàn)》

大家都知道的是一個字節(jié)用的是8個二進制位來存儲的，也就是8個0或者1，即一個字節(jié)可以存儲十進制0~127的數(shù)字，也即包含了所有的數(shù)字、英文大小寫字母以及標點符號。

1Byte=8bit

1KB=1024Byte

1MB=1024KB

1GB=1024MB

位數(shù)組在redis存儲世界里，每一個字節(jié)也是8位，初始都是： 

0 0 0 0 0 0 0 0 

而位操作就是在對應(yīng)的offset偏移量上設(shè)置0或者1，比如將第3位設(shè)置為1，即： 

0 0 0 0 1 0 0 0  
#對應(yīng)redis操作即：  
setbit key 3 1 

在此基礎(chǔ)上，如果要在偏移量為13的位置設(shè)置1，即： 

setbit key 13 1  
#對應(yīng)redis中的存儲為：  
0 0 1 0 | 0 0 0 0 | 0 0 0 0 | 1 0 0 0 

時間復雜度

GETBIT命令時間復雜度O(1)

STEBIT命令時間復雜度O(1)

BITCOUNT命令時間復雜度O(n)

BITOP命令時間復雜度O(n)、O(n2)

我們來看GETBIT以及SETBIT命令的時間復雜度為什么是O(1)，當我們執(zhí)行一個SETBIT key 10086 1的值的時候，reids的計算方式如下：

獲取到要寫入位數(shù)組中的哪個字節(jié)：10086÷8=1260，需要寫入到位數(shù)組的下標1260的字節(jié)

獲取要寫入到這個字節(jié)的第幾位：10086 mod 8 = 6，需要寫入到這個字節(jié)的下標為6即第7位上去。

通過這兩種計算方式大家可以清晰的看到，位操作的GETBIT和SETBIT都是常量計算，因此它的時間復雜度為O(1)。

而BITCOUNT命令需要對整個位數(shù)組的所有元素進行遍歷算出值為1的有多少個，當然redis對于大數(shù)據(jù)了的bit執(zhí)行bitcount命令會有一整套復雜的優(yōu)化的算法，但是核心思路還是這個意思，無非是減少部分遍歷查詢次數(shù)。比如以128位為一次遍歷，那么他的遍歷次數(shù)就是所有的位數(shù)除以128。

BITTOP命令則是根據(jù)不同的操作有不同的執(zhí)行方式。比如AND操作，則需要查看位值為1的即可。

存儲空間計算

根據(jù)上面的介紹，相信大家已經(jīng)知道了基于redis的位數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲的數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大小是怎么計算的了。比如有100億的數(shù)據(jù)，那么它需要的字節(jié)數(shù)組：

1000000000÷8÷1024÷1024≈119.21MB

也就是存儲10億的數(shù)據(jù)只需要119MB左右的內(nèi)存空間，這對于現(xiàn)在動輒16G、32G集群版的redis，完全沒有問題。

需要注意的是，如果你的數(shù)據(jù)量不大，那就不要把起始偏移量搞的很大，這樣也是占空間的，比如我們只需要存儲幾百條數(shù)據(jù)，但是其中的偏移量卻很大，這就會造成了很大的內(nèi)存空間浪費。

應(yīng)用場景

實際項目開發(fā)中有很多業(yè)務(wù)都適合采用redis的bit來實現(xiàn)。

用戶簽到場景

每天的日期字符串作為一個key，用戶Id作為offset，統(tǒng)計每天用戶的簽到情況，總的用戶簽到數(shù)

活躍用戶數(shù)統(tǒng)計

用戶日活、月活、留存率等均可以用redis位數(shù)組來存儲，還是以每天的日期作為key，用戶活躍了就寫入offset為用戶id的位值1。

同理月活也是如此。

用戶是否在線以及總在線人數(shù)統(tǒng)計

同樣是使用一個位數(shù)組，用戶的id映射偏移量，在線標識為1，下線標識為0。即可實現(xiàn)用戶上下線查詢和總在線人數(shù)的統(tǒng)計

APP內(nèi)用戶的全局消息提示小紅點

現(xiàn)在大多數(shù)的APP里都有站內(nèi)信的功能，當有消息的時候，則提示一個小紅點，代表用戶有新的消息。