01 前言
大家好,我是阿沐!你的收获便是我的喜欢,你的点赞便是对我的认可。
多年前刚毕业出来工作的时候,那个时候刚毕业对缓存的使用基本上可以说很少涉及,在大学做课件设计或者小型项目也都是用不到缓存,再者说了我大学是做嵌入式写汇编语言和 c 语言的。
当时出实习去找工作并不顺利,面试官问了知道 redis 和 memcached 区别嘛?额,我当时虽然也做了一些功课,就是恶补 redis 基础以及应用,但是并不是很熟悉;就支支吾吾地回答个一知半解。然后又问我,假如公司现在做一个 app,app 有签到功能,你该怎么做?
“这很难嘛?”,直接对着面试官说用 mysql 存储就可以啦。
“目前我们有 20 多万的活跃用户,你确定只用 mysql 存储嘛?你就不怕把我们数据库搞炸了?”,面试官很费解的看着我,心里好像在对我说,真是个菜鸟。这么简单就不会?
正好最近有小伙伴问了这关于签到方面的知识点,这里就来说一说!
02 位图是什么梗?
官网说:位图
并不是一个真实的数据类型,而是定义在字符串类型上的面向位的操作集合。位图的最小单位是比特(bit),每一个 bit 的值只能是 0 或者 1。redis 中字符串限制最大为512M
,所以位图中最大可容纳 2^32(42 亿)个不同的位。
可以将位图看做是一个 bit 数组,数组的下标就是偏移量
它的优点:内存开销小,效率高且操作简单。
03 我们用位图能做什么?
04 位图有哪些指令可以使用?
1、查找 select 指令操作:
getbit指令:getbit key offset 获取指定偏移量上的位(bit);时间复杂度O(1)。
注意:
当key不存在或者offset比字符串值的长度大时,则返回0。
bitcount指令:bitcount key [start] [end]获取指定范围内比特位的数量;时间复杂度O(n)。
注意:
当key不存在时会被当成是空字符串来处理,所以返回值为0。
bitpos指令:bittops key bit [start] [end] 获取位图中第一个值为bit的二进制位的位置;时间复杂度: O(n),其中n为位图包含的二进制位数量。
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2、添加 insert 指令操作:
setbit指令:setbit key offset value 设置key所储存的字符串值,或清除指定偏移量上的位(bit);时间复杂度:O(1)。
注意:
1、位的设置或清除取决于value参数,0或者1。
2、当key不存在时,自动生成一个新的字符串值。
3、位数组会自动伸展扩充,offet偏移量设置超出现现有的内容范围,为确保value值在指定偏移量上,会通过扩容,空白位置用0填充补上,
4、offet参数值必须大于或者等于0,小于2^32(字符串最大值是512M)
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下面是我整理哈希类型命令的时间复杂度,大家可以参考此表:
05 位图实践系列
我们要实现的功能是最最最常用的签到,实现功能如下:
我们首先创建一个关系型的用户打卡信息数据表,存储用户的打卡信息,这里强调一点:
看过网络上很多人只用 redis 才存储用户打卡信息,并不实际落地处理,最奇怪的是别人问,假如 redis 挂了或者怎样,运营或者产品想要获取数据分析,我们该怎么办?
有一位博主仁兄回答是:“redis 高可用、redis 持久化、后台写一个查询缓存接口,这些你不会嘛?”,下面评价:博主是认真回答的嘛?来逗我们玩呢?我也是笑了笑.....
说一说建表记录的原因:
1、在大数据
时代,任何有价值的信息都要收集起来,跟用户活跃度
、DAU
相关的都是比较重要的
2、跟用户相关联的,产品
与营运
必定会需要这些数据来分析用户行为,认为签到送礼带来的收益
3、不能过度的去依赖缓存,一旦缓存出问题或者崩盘,数据丢失都是一个大问题,用户的反馈投诉极具增加
4、用户存在质疑时,可以快速通过落地数据进行排查问题
5、缓存出现问题时,可以通过数据库的记录进行数据回源,保证数据一致
CREATE TABLE `mumu_sign_202105` (
`id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主键自增ID',
`user_id` varchar(255) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '用户昵称',
`sign_date` date NOT NULL DEFAULT '0000-00-00' COMMENT '签到时间',
`create_at` int(10) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '创建时间',
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `uniq_uid_date` (`user_id`,`sign_date`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='用户信息基础表';
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大家看到这个表名是不是很奇怪为啥带上_202105
呢,主要是这里用了按月分表的原理,因为用户量大,尽可能的保证一张表的数据在 500w 一下,当然有的性能比较好 1000 以上优化之后速度也是杠杠的。
不过建议还是按月分表,每个月度结束之后,数据可以同步给 hive、es、sphinx 都可以,我们只需要保证半年内的表数据,其余可以用完删除即可。
所以每当我们设计表或者做一项功能,一定要考虑预估量以及为什么要这样做,能带来的效益是什么?这样你会变的越来越优秀,思维逻辑越来越缜密。
insert into `mumu_user` (`user_id`, `sign_date`,`create_at`) VALUES
('10001','2021-04-22', unix_timestamp()),
('10001','2021-04-24', unix_timestamp()),
('10001','2021-04-25', unix_timestamp()),
('10001','2021-04-26', unix_timestamp()),
('10001','2021-04-30', unix_timestamp());
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那么下面我们开始代码逻辑梳理:
① 签到打卡系列
/**
* @desc 签到
* @param string $date
* @return int
*/
public function signIn($date = '')
{
//获取当月用户签到的缓存key
$key = $this->getKey($date);
// this->getCurrentDay 获取当日是本月的第几天并且减去1就是设置位图的下标
return $this->redis->setBit($key, $this->getCurrentDay($date), 1);
}
require_once './Bitmap.php'; //引入位图类
$user_id = 1001; //传入用户ID
$date = "2021-04-24"; //传入指定的签到日期
$bitmap = new Bitmap($user_id); //实例化位图类
echo $bitmap->signIn($date); //输出1
-- 终端操作
localhost:6379> SETBIT user:sign:1001:202104 23 1
(integer) 0
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是不是看起来超级简单,无非就是使用 setbit 指令来给用户存储签到状态为 1。记住这里写入缓存之前一定要先插入数据表保证数据库落地成功,聪明的你可能在表中看到了设置的唯一键,目的是保证一个用户每天的只有一次签到记录。
② 检测某一天是否已打卡
/**
* @desc 判断用户在某一天是否签到
* @param string $date
* @return int
*/
public function judgeUserSign($date = '')
{
$key = $this->getKey($date);
return $this->redis->getBit($key, $this->getCurrentDay($date));
}
require_once './Bitmap.php';
$user_id = 1001;
$date = "2021-04-24";
$bitmap = new Bitmap($user_id);
echo $bitmap->judgeUserSign($date);// 输出值为1
-- 终端操作
localhost:6379> GETBIT user:sign:1001:202104 23 //这里23是指位图下标,因为是从0开始,所以存储时减一操作了 变成了23
(integer) 1
localhost:6379> GETBIT user:sign:1001:202104 24 //这里实际查询的是4月25号是否签到
(integer) 0
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③ 获取用户某月打卡记录列表
/**
* @desc 获取用户本月签到的记录列表
* @param string $date
* @return mixed
*/
public function getUserAllSign($date = '')
{
// 获取本月或者指定月的签到缓存key
$key = $this->getKey($date);
// 很遗憾 本地reddi并没有支持这个函数
$result = $this->redis->bitField($key); // 正常这里应该返回的是数组 我这里使用不了 相当于模拟
// 存储本月的签到结果集
$list = [];
// 获取指定月的月数
$days = $this->getMonthDays($date);
// 从低位到高位遍历,0表示未签到;1表示已签到
for ($i = $days; $i > 0; $i--) {
// 本月已经循环完直接退出
if ($i < 0) break;
// 定义当前的日期是多少
$local_date = date('Y-m') . '-' . $i;
// 右移再左移,如果不等于自己说明最低位是 1,表示已签到
$flag = ($result >> 1 << 1) != $result ? true : false;
// 如果已签到,添加标记为1,否则为0
$list[$local_date] = $flag ? 1 : 0;
// 然后右移一位重新赋值计算
$result >>= 1;
}
return $list;
}
require_once './Bitmap.php';
$user_id = 1001;
$date = "2021-04-24";
$bitmap = new Bitmap($user_id);
$result = $bitmap->getUserAllSign($date);
var_dump($result);
//执行结果集
array(30) {
["2021-04-30"]=>
int(0)
["2021-04-29"]=>
int(0)
["2021-04-28"]=>
int(0)
["2021-04-27"]=>
int(0)
["2021-04-26"]=>
int(0)
["2021-04-25"]=>
int(0)
["2021-04-24"]=>
int(1)
["2021-04-23"]=>
int(0)
["2021-04-22"]=>
int(0)
["2021-04-21"]=>
int(0)
["2021-04-20"]=>
int(0)
["2021-04-19"]=>
int(0)
["2021-04-18"]=>
int(0)
["2021-04-17"]=>
int(0)
["2021-04-16"]=>
int(0)
["2021-04-15"]=>
int(0)
["2021-04-14"]=>
int(0)
["2021-04-13"]=>
int(0)
["2021-04-12"]=>
int(0)
["2021-04-11"]=>
int(0)
["2021-04-10"]=>
int(0)
["2021-04-9"]=>
int(0)
["2021-04-8"]=>
int(0)
["2021-04-7"]=>
int(0)
["2021-04-6"]=>
int(0)
["2021-04-5"]=>
int(0)
["2021-04-4"]=>
int(0)
["2021-04-3"]=>
int(0)
["2021-04-2"]=>
int(0)
["2021-04-1"]=>
int(0)
}
//我们再看下终端执行的结果
localhost:6379> BITFIELD user:sign:1001:202104 get u30 0
1) (integer) 64
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注意 2021-04-24 这日期是我们上面设置签到了,返回的 64 这个是二进制数据:0100 0000 这样是不是就很清晰了,表示 24 号签到了
大家是不是有点疑问,为啥没有支持bitField
指令,redis 在 3.2 版本之后就新增了这个强大的指令 bitfield。r 如果没有这个指令的出现,估计上面的代码就要缓存通过管道命令批量获取几十天的数据了。但是有了它就完全不是一个概念,它一条命令就可以完成所有值获取。普及下 bitfield 命令:
官方文档:
BITFIELD key [GET type offset] [SET type offset value] [INCRBY type offset increment] [OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL] 意思是:中括号的意思是指支持它的子命令;get、set、incrby
时间复杂度:O(1)
举个例子解析:
bitfield key get u8 0
1、key指我们需要操作的缓存key
2、get是bitfield的子命令 用来select
3、u8表示无符号数+30位整形位数(i8表示有符号数)
4、0表示返回指定的位偏移量
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科普一下:所谓的无符号数是指非负数,没有符号位置,获取的位数组全部都是值;无符号数是指一个负数,获取到的值的第一位是符号位,剩下的才是可用的值。大家想了解的话,可以看看计算机组成原理在 bibi 就可以看的。
④ 获取用户当月打卡总数
/**
* @Desc 获取用户当月打卡总数
* @param string $date
* @return int
*/
public function getSumSignCount($date = '')
{
$key = $this->getKey($date);
return $this->redis->bitCount($key);
}
$bitmap = new Bitmap($user_id);
$result = $bitmap->getSumSignCount($date);
var_dump($result); //结果输出1 因为我们4月份就打卡了一天
//终端执行
localhost:6379> BITCOUNT user:sign:1001:202104
(integer) 1
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⑤ 获取用户连续签到次数
/**
* @desc 获取用户连续签到的次数
* @param string $date
* @return int
*/
public function getContinuousSignCount($date = '')
{
$key = $this->getKey($date);
// 获取今天天数
$days = $this->getCurrentDay($date);
//// 获取用户从当前日期开始到 1 号的所有签到状态 不过很遗憾 本地reddi并没有支持这个函数
$result = $this->redis->bitField($key, 'u' . $days, 0); // 正常这里应该返回的是数组
// 连续签到计数器总数
$signCount = 0;
$value = isset($result[0]) ? $result[0] : 0;
// 通过位移计算连续签到次数
for ($i = $days; $i > 0; $i--) // i 表示位移操作次数
{
if ($i < 0) break; //超出则终止循环
// 先右移再左移,如果等于自己说明最低位是 0,表示未签到
if ($value >> 1 << 1 == $value) { //存在用户当天还未签到,所以要排除掉
// 低位 0 且非当天说明连续签到中断了
if ($i != $days) break;
} else {
// 如果不等于自己说明最低位是1,表示已经签到
$signCount++;
}
// 右移一位并重新赋值,相当于把最低位丢弃一位然后重新计算
$value >>= 1;
}
return $signCount;
}
$bitmap = new Bitmap($user_id);
$result = $bitmap->getContinuousSignCount($date);
var_dump($result); //执行结果 只有2次连续签到 后面我设置了 20号 24号签到了
//终端执行
localhost:6379> BITFIELD user:sign:1001:202104 get u25 0
1) (integer) 22
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这个连续签到次数主要是考验大家对二进制的位运算的熟练程度,知道如何进行位运算,这样就能更好地知道签到如何使用。
科普下左移右移:
a<<b (左移) 将 a中的位向左移动b 次(每一次移动都表示“乘以 2”);左移时右侧以零填充,符号位被移走意味着正负号不被保留。
a>>b (右移) 将 a中的位向右移动b 次(每一次移动都表示“除以 2”);右移时左侧以符号位填充,意味着正负号被保留。
⑥ 用户补签
/**
* @desc 用户补签
* @param string $date
* @return bool|int
*/
public function rebuildSign($date = '')
{
$key = $this->getKey($date);
// 先检测当前用户这一天是否已经签到
if ($this->judgeUserSign($date)) return false;
return $this->signIn($date);
}
//这个就很简单了,大家可以自己操作一下
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位图实战代码仓库地址:https://github.com/woshiamu/amu/tree/master/redis
最后总结
本文主要是通过实际的应用场景才讲解 redis 的位图使用。如何应用,如何实践,通过一个个的代码案例执行你就能更加了解位图到底是怎么回事。
位图是一个占用内存且能存储大量数据的一个字符串。给大家一个小小的建议,在看文章或者看书籍时,一定要看完之后动手实践,因为实践才是检验真理的唯一标准;如果还在使用 set hash simember 来做签到功能,可以尝试改换然后对比性能,也提高下我们的技术水准以及接口访问速度。
看完文章小伙伴们对位图的使用是否有进一步的了解?如果阿沐的文章感觉有帮助或者有不足之处,请在评论下面留言。
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好了,我是阿沐,一个不想 30 岁就被淘汰的打工人 ⛽️ ⛽️ ⛽️ 。
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