深入浅析Redis中的位图（bitmap）

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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]

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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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 2021-12-02