Redis Bitmaps

来源:
三产
最后修订:
2017年06月19日 13:40:32
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Redis 位操作 Bitmaps

Bitmaps 简介

在计算机中,所有的数据在存储和运算时都要使用二进制数表示(因为计算机用高电平和低电平分别表示1和0),例如,象a、b、c、d这样的 52 个字母(包括大写)、以及 0、1 等数字还有一些常用的符号(例如*、#、@等)在计算机中存储时也要使用二进制数来表示,而具体用哪些二进制数字表示哪个符号,当然每个人都可以约定自己的一套(这就叫编码),而大家如果要想互相通信而不造成混乱,那么大家就必须使用相同的编码规则,于是美国有关的标准化组织就出台了所谓的 ASCII 编码,统一规定了上述常用符号用哪些二进制数来表示。例如 “Redis” 字符串是由 5 个字节组成,计算机存储时使用其二进制表示,首先找到每个字母中的 ASCII 码,然后对应到二进制。

“Redis” 二进制表示

许多开发语言都提供了操作位的功能,合理地使用 位 能够有效地提高内存使用率开发效率。Redis提供了Bitmaps这个 “数据结构” 可以实现对位的操作。把数据结构加上引号主要因为:

  • Bitmaps 本身不是一种数据结构,实际上它就是字符串(key 对应的 value 就是上图中最后的一串二进制),但是它可以对字符串的位进行操作。
  • Bitmaps 单独提供了一套命令,所以在 Redis 中使用 Bitmaps 和使用字符串的方法不太相同。可以把 Bitmaps 想象成一个以 位 为单位的数组,数组的每个单元只能存储 0 和 1,数组的下标在Bitmaps中叫做偏移量

    命令

设置值

SETBIT

自2.2.0可用。

时间复杂度:O(1)。

语法:SETBIT key offset value
说明:

key 所储存的字符串值,设置或清除指定偏移量上的位(bit)。

位的设置或清除取决于 value 参数,可以是 0 也可以是 1

key 不存在时,自动生成一个新的字符串值。

字符串会进行伸展(grown)以确保它可以将 value 保存在指定的偏移量上。当字符串值进行伸展时,空白位置以 0 填充。

offset 参数必须大于或等于 0 ,小于 2^32 (bit 映射被限制在 512 MB 之内)。

对使用大的 offsetSETBIT 操作来说,内存分配可能造成 Redis 服务器被阻塞。

返回值:

字符串值指定偏移量上原来储存的位(bit)。

示例:
# SETBIT 会返回之前位的值(默认是 0)这里会生成 619 个位【之前为空所以扩展到 618 时需要 619 个位(从 0 开始)】
coderknock> SETBIT testBit 618 1
(integer) 0
coderknock> SETBIT testBit 618 0
(integer) 1
coderknock> SETBIT testBit 618 1
(integer) 0
coderknock> GETBIT testBit 618
(integer) 1
coderknock> GETBIT testBit 100
(integer) 0
# SETBIT  value 只能是 0 或者 1
coderknock> SETBIT testBit 618 2
(error) ERR bit is not an integer or out of range

获取值

GETBIT

自2.2.0可用。

时间复杂度:O(1)。

语法:GETBIT key offset
说明:

key 所储存的字符串值,获取指定偏移量上的位(bit)。

offset 比字符串值的长度大,或者 key 不存在时,返回 0

返回值:

字符串值指定偏移量上的位(bit)。

示例:
coderknock> EXISTS bit
(integer) 0
coderknock> SETBIT bit 618 1
(integer) 0
coderknock> GETBIT bit 618
(integer) 1
# 不存在的偏移量也会取到 0
coderknock> GETBIT bit 619
(integer) 0
# 可以看到 bit 本身也是个字符串
coderknock> GET bit
"
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00
x00 "

获取Bitmaps 指定范围值为 1 的位个数

BITCOUNT

自2.6.0可用。

时间复杂度:O(N)。

语法:BITCOUNT key [start][end]
说明:

计算给定字符串中,被设置为 1 的比特位的数量。

一般情况下,给定的整个字符串都会被进行计数,通过指定额外的 startend 参数,可以让计数只在特定的位上进行。

startend 参数的设置和 GETRANGE 命令类似,都可以使用负数值: 比如 -1 表示最后一个字节, -2 表示倒数第二个字节,以此类推。

不存在的 key 被当成是空字符串来处理,因此对一个不存在的 key 进行 BITCOUNT 操作,结果为 0

返回值:

被设置为 1 的位的数量。

示例:
# 此处的 bit 基于 GETBIT 示例的命令中的
coderknock> BITCOUNT bit
(integer) 1
# 计算 bit 中所有值为 1 的位的个数
coderknock> BITCOUNT bit
(integer) 1
coderknock> SETBIT bit 0 1
(integer) 0
coderknock> BITCOUNT bit
(integer) 2
# 计算指定位置 bit 中所有值为 1 的位的个数
coderknock> BITCOUNT bit 10 619
(integer) 1

多个 Bitmaps 运算

BITOP

自2.6.0可用。

时间复杂度:O(N)。

语法:BITOP operation destkey key [key …]
说明:

对一个或多个保存二进制位的字符串 key 进行位元操作,并将结果保存到 destkey 上。

operation 可以是 ANDORNOTXOR 这四种操作中的任意一种:

  • BITOP AND destkey key [key ...] ,对一个或多个 key 求逻辑并,并将结果保存到 destkey
  • BITOP OR destkey key [key ...] ,对一个或多个 key 求逻辑或,并将结果保存到 destkey
  • BITOP XOR destkey key [key ...] ,对一个或多个 key 求逻辑异或,并将结果保存到 destkey
  • BITOP NOT destkey key ,对给定 key 求逻辑非,并将结果保存到 destkey

除了 NOT 操作之外,其他操作都可以接受一个或多个 key 作为输入。

处理不同长度的字符串

BITOP 处理不同长度的字符串时,较短的那个字符串所缺少的部分会被看作 0

空的 key 也被看作是包含 0 的字符串序列。

返回值:

保存到 destkey 的字符串的长度,和输入 key 中最长的字符串长度相等。

示例:
coderknock> SETBIT bits-1 0 1
(integer) 0
coderknock> SETBIT bits-1 3 1
(integer) 0
# bits-1 为 1001

coderknock> SETBIT bits-2 0 1
(integer) 0
coderknock> SETBIT bits-2 1 1
(integer) 0
coderknock> SETBIT bits-2 3 1
(integer) 0
# bits-2 为 1011

#bits-1 bits-2 做 并 操作
coderknock> BITOP AND and-result bits-1 bits-2
(integer) 1
coderknock> GETBIT and-result 0
(integer) 1
coderknock> GETBIT and-result 1
(integer) 0
coderknock> GETBIT and-result 2
(integer) 0
coderknock> GETBIT and-result 3
(integer) 1
#and-result 1001

#bits-1 bits-2 做 或 操作
coderknock> BITOP OR or-result bits-1 bits-2
(integer) 1
coderknock> GETBIT and-result 0
(integer) 1
coderknock> GETBIT and-result 1
(integer) 0
coderknock> GETBIT and-result 2
(integer) 0
coderknock> GETBIT and-result 3
(integer) 1
#or-result 1011

# 非 操作只能针对一个 key
coderknock> BITOP NOT not-result bits-1 bits-2
(error) ERR BITOP NOT must be called with a single source key.
coderknock> BITOP NOT not-result bits-1
(integer) 1
coderknock> GETBIT not-result 0
(integer) 0
coderknock> GETBIT not-result 1
(integer) 1
coderknock> GETBIT not-result 2
(integer) 1
coderknock> GETBIT not-result 3
(integer) 0
# not-result 0110

# 异或操作
coderknock> BITOP XOR xor-result bits-1 bits-2
(integer) 1
coderknock> GETBIT xor-result 0
(integer) 0
coderknock> GETBIT xor-result 1
(integer) 1
coderknock> GETBIT xor-result 2
(integer) 0
coderknock> GETBIT xor-result 3
(integer) 0
# xor-result 0010

BITOP 的复杂度为 O(N) ,当处理大型矩阵(matrix)或者进行大数据量的统计时,最好将任务指派到附属节点(slave)进行,避免阻塞主节点。**

               ### 计算Bitmaps中第一个值为 bit 的偏移量

               #### BITPOS 

               > **自2.8.7可用。**

时间复杂度:O(N)。

语法:BITPOS key bit [start][end]
说明:

返回字符串里面第一个被设置为 1 或者 0 的bit位。

返回一个位置,把字符串当做一个从左到右的字节数组,第一个符合条件的在位置 0,其次在位置 8,等等。

GETBITSETBIT 相似的也是操作字节位的命令。

默认情况下整个字符串都会被检索一次,只有在指定 start 和 end 参数(指定start和end位是可行的),该范围被解释为一个字节的范围,而不是一系列的位。所以start=0 并且 end=2是指前三个字节范围内查找。

注意,返回的位的位置始终是从 0 开始的,即使使用了 start 来指定了一个开始字节也是这样。

GETRANGE 命令一样,start 和 end 也可以包含负值,负值将从字符串的末尾开始计算,-1是字符串的最后一个字节,-2是倒数第二个,等等。

不存在的key将会被当做空字符串来处理。

返回值:

命令返回字符串里面第一个被设置为 1 或者 0 的 bit 位。

如果我们在空字符串或者 0 字节的字符串里面查找 bit 为1的内容,那么结果将返回-1。

如果我们在字符串里面查找 bit 为 0 而且字符串只包含1的值时,将返回字符串最右边的第一个空位。如果有一个字符串是三个字节的值为 0xff 的字符串,那么命令 BITPOS key 0 将会返回 24,因为 0-23 位都是1。

基本上,我们可以把字符串看成右边有无数个 0。

然而,如果你用指定 start 和 end 范围进行查找指定值时,如果该范围内没有对应值,结果将返回 -1。

示例:
redis> SET mykey "
xff
xf0
x00" OK redis> BITPOS mykey 0 # 查找字符串里面bit值为0的位置 (integer) 12 redis> SET mykey "
x00
xff
xf0" OK redis> BITPOS mykey 1 0 # 查找字符串里面bit值为1从第0个字节开始的位置 (integer) 8 redis> BITPOS mykey 1 2 # 查找字符串里面bit值为1从第2个字节(12)开始的位置 (integer) 16 redis> set mykey "
x00
x00
x00" OK redis> BITPOS mykey 1 # 查找字符串里面bit值为1的位置 (integer) -1

BITFIELD

自3.2.0可用。

时间复杂度:每个子命令的复杂度为 O(1) 。

语法:BITFIELD key [GET type offset][SET type offset value][INCRBY type offset increment][OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL]
说明:

BITFIELD key [GET type offset][SET type offset value] [INCRBY type offset increment][OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL]

                                                                                  `BITFIELD` 命令可以将一个 Redis 字符串看作是一个由二进制位组成的数组, 并对这个数组中储存的长度不同的整数进行访问 (被储存的整数无需进行对齐)。 换句话说, 通过这个命令, 用户可以执行诸如 “对偏移量 1234 上的 5 位长有符号整数进行设置”、 “获取偏移量 4567 上的 31 位长无符号整数”等操作。 此外, `BITFIELD` 命令还可以对指定的整数执行加法操作和减法操作, 并且这些操作可以通过设置妥善地处理计算时出现的溢出情况。

BITFIELD 命令可以在一次调用中同时对多个位范围进行操作: 它接受一系列待执行的操作作为参数, 并返回一个数组作为回复, 数组中的每个元素就是对应操作的执行结果。

比如以下命令就展示了如何对位于偏移量 100 的 8 位长有符号整数执行加法操作, 并获取位于偏移量 0 上的 4 位长无符号整数:

coderknock> BITFIELD mykey INCRBY i8 100 1 GET u4 0
1) (integer) 1
2) (integer) 0

注意:

  • 使用 GET 子命令对超出字符串当前范围的二进制位进行访问(包括键不存在的情况), 超出部分的二进制位的值将被当做是 0 。
  • 使用 SET 子命令或者 INCRBY 子命令对超出字符串当前范围的二进制位进行访问将导致字符串被扩大, 被扩大的部分会使用值为 0 的二进制位进行填充。 在对字符串进行扩展时, 命令会根据字符串目前已有的最远端二进制位, 计算出执行操作所需的最小长度。
支持的子命令以及数字类型

以下是 BITFIELD 命令支持的子命令:

  • GET <type> <offset> —— 返回指定的二进制位范围。
  • SET <type> <offset> <value> —— 对指定的二进制位范围进行设置,并返回它的旧值。
  • INCRBY <type> <offset> <increment> —— 对指定的二进制位范围执行加法操作,并返回它的旧值。用户可以通过向 increment 参数传入负值来实现相应的减法操作。

除了以上三个子命令之外, 还有一个子命令, 它可以改变之后执行的 INCRBY 子命令在发生溢出情况时的行为:

  • OVERFLOW [WRAP|SAT|FAIL]

当被设置的二进制位范围值为整数时, 用户可以在类型参数的前面添加 i 来表示有符号整数, 或者使用 u 来表示无符号整数。 比如说, 我们可以使用 u8 来表示 8 位长的无符号整数, 也可以使用 i16 来表示 16 位长的有符号整数。

BITFIELD 命令最大支持 64 位长的有符号整数以及 63 位长的无符号整数, 其中无符号整数的 63 位长度限制是由于 Redis 协议目前还无法返回 64 位长的无符号整数而导致的。

二进制位和位置偏移量

在二进制位范围命令中, 用户有两种方法来设置偏移量:

  • 如果用户给定的是一个没有任何前缀的数字, 那么这个数字指示的就是字符串以零为开始(zero-base)的偏移量。
  • 另一方面, 如果用户给定的是一个带有 # 前缀的偏移量, 那么命令将使用这个偏移量与被设置的数字类型的位长度相乘, 从而计算出真正的偏移量。

比如说, 对于以下这个命令来说:

BITFIELD mystring SET i8 #0 100 i8 #1 200

命令会把 mystring 键里面, 第一个 i8 长度的二进制位的值设置为 100 , 并把第二个 i8 长度的二进制位的值设置为 200 。 当我们把一个字符串键当成数组来使用, 并且数组中储存的都是同等长度的整数时, 使用 # 前缀可以让我们免去手动计算被设置二进制位所在位置的麻烦。

溢出控制

用户可以通过 OVERFLOW 命令以及以下展示的三个参数, 指定 BITFIELD 命令在执行自增或者自减操作时, 碰上向上溢出(overflow)或者向下溢出(underflow)情况时的行为:

  • WRAP : 使用回绕(wrap around)方法处理有符号整数和无符号整数的溢出情况。 对于无符号整数来说, 回绕就像使用数值本身与能够被储存的最大无符号整数执行取模计算, 这也是 C 语言的标准行为。 对于有符号整数来说, 上溢将导致数字重新从最小的负数开始计算, 而下溢将导致数字重新从最大的正数开始计算。 比如说, 如果我们对一个值为 127i8 整数执行加一操作, 那么将得到结果 -128
  • SAT : 使用饱和计算(saturation arithmetic)方法处理溢出, 也即是说, 下溢计算的结果为最小的整数值, 而上溢计算的结果为最大的整数值。 举个例子, 如果我们对一个值为 120i8 整数执行加 10 计算, 那么命令的结果将为 i8 类型所能储存的最大整数值 127 。 与此相反, 如果一个针对 i8 值的计算造成了下溢, 那么这个 i8 值将被设置为 -127
  • FAIL : 在这一模式下, 命令将拒绝执行那些会导致上溢或者下溢情况出现的计算, 并向用户返回空值表示计算未被执行。

需要注意的是, OVERFLOW 子命令只会对紧随着它之后被执行的 INCRBY 命令产生效果, 这一效果将一直持续到与它一同被执行的下一个 OVERFLOW 命令为止。 在默认情况下, INCRBY 命令使用 WRAP 方式来处理溢出计算。

以下是一个使用 OVERFLOW 子命令来控制溢出行为的例子:

coderknock> BITFIELD mykey incrby u2 100 1 OVERFLOW SAT incrby u2 102 1
1) (integer) 1
2) (integer) 1

coderknock> BITFIELD mykey incrby u2 100 1 OVERFLOW SAT incrby u2 102 1
1) (integer) 2
2) (integer) 2

coderknock> BITFIELD mykey incrby u2 100 1 OVERFLOW SAT incrby u2 102 1
1) (integer) 3
2) (integer) 3

coderknock> BITFIELD mykey incrby u2 100 1 OVERFLOW SAT incrby u2 102 1
1) (integer) 0  -- 使用默认的 WRAP 方式处理溢出
2) (integer) 3  -- 使用 SAT 方式处理溢出

而以下则是一个因为 OVERFLOW FAIL 行为而导致子命令返回空值的例子:

coderknock> BITFIELD mykey OVERFLOW FAIL incrby u2 102 1
1) (nil)
作用

BITFIELD 命令的作用在于它能够将很多小的整数储存到一个长度较大的位图中, 又或者将一个非常庞大的键分割为多个较小的键来进行储存, 从而非常高效地使用内存, 使得 Redis 能够得到更多不同的应用 —— 特别是在实时分析领域: BITFIELD 能够以指定的方式对计算溢出进行控制的能力, 使得它可以被应用于这一领域。

性能注意事项

BITFIELD 在一般情况下都是一个快速的命令, 需要注意的是, 访问一个长度较短的字符串的远端二进制位将引发一次内存分配操作, 这一操作花费的时间可能会比命令访问已有的字符串花费的时间要长。

二进制位的排列

BITFIELD 把位图第一个字节偏移量 0 上的二进制位看作是 most significant 位, 以此类推。 举个例子, 如果我们对一个已经预先被全部设置为 0 的位图进行设置, 将它在偏移量 7 的值设置为 5 位无符号整数值 23 (二进制位为 10111 ), 那么命令将生产出以下这个位图表示:

+--------+--------+
|00000001|01110000|
+--------+--------+

当偏移量和整数长度与字节边界进行对齐时, BITFIELD 表示二进制位的方式跟大端表示法(big endian)一致, 但是在没有对齐的情况下, 理解这些二进制位是如何进行排列也是非常重要的。

返回值:

如果 member 元素是集合的成员,返回 1

如果 member 元素不是集合的成员,或 key 不存在,返回 0

示例:
coderknock> SISMEMBER saddTest add1
(integer) 1
#  add7  元素不存在
coderknock> SISMEMBER saddTest add7
(integer) 0
# key 不存在
coderknock> SISMEMBER nonSet a
(integer) 0
# key 类型不是集合
coderknock> SISMEMBER embstrKey a
(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value

使用场景

使用 bitmap 实现用户上线次数统计