Redis实战篇（二）基于Bitmap实现用户签到功能

很多应用上都有用户签到的功能，尤其是配合积分系统一起使用。现在有以下需求：

1. 签到1天得1积分，连续签到2天得2积分，3天得3积分，3天以上均得3积分等。
2. 如果连续签到中断，则重置计数，每月重置计数。
3. 显示用户某月的签到次数和首次签到时间。
4. 在日历控件上展示用户每月签到，可以切换年月显示。
5. ...

功能分析

对于用户签到数据，如果直接采用数据库存储，当出现高并发访问时，对数据库压力会很大，例如双十一签到活动。这时候应该采用缓存，以减轻数据库的压力，Redis是高性能的内存数据库，适用于这样的场景。

如果采用String类型保存，当用户数量大时，内存开销就非常大。

如果采用集合类型保存，例如Set、Hash，查询用户某个范围的数据时，查询效率又不高。

Redis提供的数据类型BitMap（位图），每个bit位对应0和1两个状态。虽然内部还是采用String类型存储，但Redis提供了一些指令用于直接操作BitMap，可以把它看作一个bit数组，数组的下标就是偏移量。

它的优点是内存开销小，效率高且操作简单，很适合用于签到这类场景。缺点在于位计算和位表示数值的局限。如果要用位来做业务数据记录，就不要在意value的值。

Redis提供了以下几个指令用于操作BitMap：

命令	说明	可用版本	时间复杂度
SETBIT	对 key 所储存的字符串值，设置或清除指定偏移量上的位(bit)。	>= 2.2.0	O(1)
GETBIT	对 key 所储存的字符串值，获取指定偏移量上的位(bit)。	>= 2.2.0	O(1)
BITCOUNT	计算给定字符串中，被设置为 1 的比特位的数量。	>= 2.6.0	O(N)
BITPOS	返回位图中第一个值为 bit 的二进制位的位置。	>= 2.8.7	O(N)
BITOP	对一个或多个保存二进制位的字符串 key 进行位元操作。	>= 2.6.0	O(N)
BITFIELD	BITFIELD 命令可以在一次调用中同时对多个位范围进行操作。	>= 3.2.0	O(1)

考虑到每月要重置连续签到次数，最简单的方式是按用户每月存一条签到数据。Key的格式为 u:sign:{uid}:{yyyMM}，而Value则采用长度为4个字节的（32位）的BitMap（最大月份只有31天）。BitMap的每一位代表一天的签到，1表示已签，0表示未签。

例如 u:sign:1225:202101 表示ID=1225的用户在2021年1月的签到记录

# 用户1月6号签到
SETBIT u:sign:1225:202101 5 1 # 偏移量是从0开始，所以要把6减1

# 检查1月6号是否签到
GETBIT u:sign:1225:202101 5 # 偏移量是从0开始，所以要把6减1

# 统计1月份的签到次数
BITCOUNT u:sign:1225:202101

# 获取1月份前31天的签到数据
BITFIELD u:sign:1225:202101 get u31 0

# 获取1月份首次签到的日期
BITPOS u:sign:1225:202101 1 # 返回的首次签到的偏移量，加上1即为当月的某一天

示例代码

using StackExchange.Redis;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;

/**
* 基于Redis Bitmap的用户签到功能实现类
*
* 实现功能：
* 1. 用户签到
* 2. 检查用户是否签到
* 3. 获取当月签到次数
* 4. 获取当月连续签到次数
* 5. 获取当月首次签到日期
* 6. 获取当月签到情况
*/
public class UserSignDemo
{
    private IDatabase _db;

    public UserSignDemo(IDatabase db)
    {
        _db = db;
    }

    /**
     * 用户签到
     *
     * @param uid  用户ID
     * @param date 日期
     * @return 之前的签到状态
     */
    public bool DoSign(int uid, DateTime date)
    {
        int offset = date.Day - 1;
        return _db.StringSetBit(BuildSignKey(uid, date), offset, true);
    }

    /**
     * 检查用户是否签到
     *
     * @param uid  用户ID
     * @param date 日期
     * @return 当前的签到状态
     */
    public bool CheckSign(int uid, DateTime date)
    {
        int offset = date.Day - 1;
        return _db.StringGetBit(BuildSignKey(uid, date), offset);
    }

    /**
     * 获取用户签到次数
     *
     * @param uid  用户ID
     * @param date 日期
     * @return 当前的签到次数
     */
    public long GetSignCount(int uid, DateTime date)
    {
        return _db.StringBitCount(BuildSignKey(uid, date));
    }

    /**
     * 获取当月连续签到次数
     *
     * @param uid  用户ID
     * @param date 日期
     * @return 当月连续签到次数
     */
    public long GetContinuousSignCount(int uid, DateTime date)
    {
        int signCount = 0;
        string type = $"u{date.Day}";   // 取1号到当天的签到状态

        RedisResult result = _db.Execute("BITFIELD", (RedisKey)BuildSignKey(uid, date), "GET", type, 0);
        if (!result.IsNull)
        {
            var list = (long[])result;
            if (list.Length > 0)
            {
                // 取低位连续不为0的个数即为连续签到次数，需考虑当天尚未签到的情况
                long v = list[0];
                for (int i = 0; i < date.Day; i++)
                {
                    if (v >> 1 << 1 == v)
                    {
                        // 低位为0且非当天说明连续签到中断了
                        if (i > 0) break;
                    }
                    else
                    {
                        signCount += 1;
                    }
                    v >>= 1;
                }
            }
        }
        return signCount;
    }

    /**
     * 获取当月首次签到日期
     *
     * @param uid  用户ID
     * @param date 日期
     * @return 首次签到日期
     */
    public DateTime? GetFirstSignDate(int uid, DateTime date)
    {
        long pos = _db.StringBitPosition(BuildSignKey(uid, date), true);
        return pos < 0 ? null : date.AddDays(date.Day - (int)(pos + 1));
    }

    /**
     * 获取当月签到情况
     *
     * @param uid  用户ID
     * @param date 日期
     * @return Key为签到日期，Value为签到状态的Map
     */
    public Dictionary<string, bool> GetSignInfo(int uid, DateTime date)
    {
        Dictionary<string, bool> signMap = new Dictionary<string, bool>(date.Day);
        string type = $"u{GetDayOfMonth(date)}";
        RedisResult result = _db.Execute("BITFIELD", (RedisKey)BuildSignKey(uid, date), "GET", type, 0);
        if (!result.IsNull)
        {
            var list = (long[])result;
            if (list.Length > 0)
            {
                // 由低位到高位，为0表示未签，为1表示已签
                long v = list[0];
                for (int i = GetDayOfMonth(date); i > 0; i--)
                {
                    DateTime d = date.AddDays(i - date.Day);
                    signMap.Add(FormatDate(d, "yyyy-MM-dd"), v >> 1 << 1 != v);
                    v >>= 1;
                }
            }
        }
        return signMap;
    }

    private static string FormatDate(DateTime date)
    {
        return FormatDate(date, "yyyyMM");
    }

    private static string FormatDate(DateTime date, string pattern)
    {
        return date.ToString(pattern);
    }

    /**
     * 构建签到Key
     *
     * @param uid  用户ID
     * @param date 日期
     * @return 签到Key
     */
    private static string BuildSignKey(int uid, DateTime date)
    {
        return $"u:sign:{uid}:{FormatDate(date)}";
    }

    /**
     * 获取月份天数
     *
     * @param date 日期
     * @return 天数
     */
    private static int GetDayOfMonth(DateTime date)
    {
        if (date.Month == 2)
        {
            return 28;
        }
        if (new int[] { 1, 3, 5, 7, 8, 10, 12 }.Contains(date.Month))
        {
            return 31;
        }
        return 30;
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        ConnectionMultiplexer connection = ConnectionMultiplexer.Connect("192.168.0.104:7001,password=123456");

        UserSignDemo demo = new UserSignDemo(connection.GetDatabase());
        DateTime today = DateTime.Now;
        int uid = 1225;

        { // doSign
            bool signed = demo.DoSign(uid, today);
            if (signed)
            {
                Console.WriteLine("您已签到：" + FormatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("签到完成：" + FormatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
            }
        }

        { // checkSign
            bool signed = demo.CheckSign(uid, today);
            if (signed)
            {
                Console.WriteLine("您已签到：" + FormatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("尚未签到：" + FormatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
            }
        }

        { // getSignCount
            long count = demo.GetSignCount(uid, today);
            Console.WriteLine("本月签到次数：" + count);
        }

        { // getContinuousSignCount
            long count = demo.GetContinuousSignCount(uid, today);
            Console.WriteLine("连续签到次数：" + count);
        }

        { // getFirstSignDate
            DateTime? date = demo.GetFirstSignDate(uid, today);
            if (date.HasValue)
            {
                Console.WriteLine("本月首次签到：" + FormatDate(date.Value, "yyyy-MM-dd"));
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("本月首次签到：无");
            }
        }

        { // getSignInfo
            Console.WriteLine("当月签到情况：");
            Dictionary<string, bool> signInfo = new Dictionary<string, bool>(demo.GetSignInfo(uid, today));
            foreach (var entry in signInfo)
            {
                Console.WriteLine(entry.Key + ": " + (entry.Value ? "√" : "-"));
            }
        }
    }
}

运行结果

更多应用场景

• 统计活跃用户：把日期作为Key，把用户ID作为offset，1表示当日活跃，0表示当日不活跃。还能使用位计算得到日活、月活、留存率等数据。
• 用户在线状态：跟统计活跃用户一样。

总结

• 位图优点是内存开销小，效率高且操作简单；缺点是位计算和位表示数值的局限。
• 位图适合二元状态的场景，例如用户签到、在线状态等场景。
• String类型最大长度为512M。 注意SETBIT时的偏移量，当偏移量很大时，可能会有较大耗时。 位图不是绝对的好，有时可能更浪费空间。
• 如果位图很大，建议分拆键。如果要使用BITOP，建议读取到客户端再进行位计算。

参考资料

• 基于Redis位图实现用户签到功能
• Redis 深度历险：核心原理与应用实践
• Redis：Bitmap的setbit,getbit,bitcount,bitop等使用与应用场景
• BITFIELD SET command is not working