Redis 中bitMap使用及实现访问量

1. Bitmap 是什么

　　Bitmap(也称为位数组或者位向量等)是一种实现对位的操作的'数据结构'，在数据结构加引号主要因为：

　　　　Bitmap 本身不是一种数据结构，底层实际上是字符串，可以借助字符串进行位操作。

　　　　Bitmap 单独提供了一套命令，所以与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 Bitmap 中叫做偏移量 offset。

2.占用存储空间

　　 如上我们知道 Bitmap 本身不是一种数据结构，底层实际上使用字符串来存储。由于 Redis 中字符串的最大长度是 512 MB字节，所以 BitMap 的偏移量 offset 值也是有上限的，其最大值是：8 * 1024 * 1024 * 512 = 2^32。由于 C 语言中字符串的末尾都要存储一位分隔符，所以实际上 BitMap 的偏移量 offset 值上限是：2^32-1。Bitmap 实际占用存储空间取决于 BitMap 偏移量 offset 的最大值，占用字节数可以用 (max_offset / 8) + 1 公式来计算或者直接借助底层字符串函数 strlen 来计算：

　　需要注意的是，在第一次初始化 Bitmap 时，假如偏移量 offset 非常大，由于需要分配所需要的内存，整个初始化过程执行会比较慢，可能会造成 Redis 的阻塞。在 2010 款 MacBook Pro 上，设置第 2^32-1 位，由于需要分配 512MB 内存，所以大约需要 300 毫秒；设置第 2^30-1 位（128 MB）大约需要 80 毫秒；设置第 2^28 -1 位（32MB）需要约 30 毫秒；设置第 2^26 -1（8MB）需要约 8 毫秒。一旦完成第一次分配，随后对同一 key 再设置将不会产生分配开销。

3. bit 常用的命令：

127.0.0.1:6379> setbit login:20221204 0 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> strlen login:20221204
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setbit login:20221204 8 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> strlen login:20221204
(integer) 2
127.0.0.1:6379> bitcount login:20221204
(integer) 2
127.0.0.1:6379> getbit login:20221204 8
(integer) 1
127.0.0.1:6379> type login:20221204
string

　　通过以上命令可以看到，bit 在redis 中使用的是string 的存储结构

4.  SETBIT

　　语法格式：

SETBIT key offset value

　　SETBIT 用来设置 key 对应第 offset 位的值（offset 从 0 开始算），可以设置为 0 或者 1。当指定的 KEY 不存在时，会自动生成一个新的字符串值。字符串会进行扩展以确保可以将 value 保存在指定的偏移量 offset 上。当字符串值进行扩展时，空白位置用 0 来填充。需要注意的是 offset 需要大于或等于 0，小于 2 的 32 次方。

　　假设现在有 10 个用户，用户id为 0、1、5、9 的 4 个用户在 20220514 进行了登录，那么当前 Bitmap 初始化结果如下图所示：
                         

　　假设用户 uid 为 15 的用户也登录了 App，那么 Bitmap 的结构变成了如下图所示，第 10 位到第 14 位都用 0 填充，第 15 位被置为 1：

                              

　　很多应用的用户id以一个指定数字（例如 150000000000）开头，直接将用户id和 Bitmap 的偏移量对应势必会造成一定的浪费，通常的做法是每次做 setbit 操作时将用户id减去这个指定数字。在第一次初始化 Bitmap 时，假如偏移量非常大，那么整个初始化过程执行会比较慢，可能会造成 Redis 的阻塞。

5. 使用 bitMap 统计访问量　　

package com.hys.redis;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.List;

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.apache.commons.lang3.time.DateUtils;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPoolConfig;

import redis.clients.jedis.BitOP;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.Pipeline;

/**
 * 统计累计和日均活跃用户人数
 * @author Robert Hou
 * @date 2019年5月31日
 */
public class Counter {

    /**
     * ip地址
     */
    private static final String IP_ADDRESS = "127.0.0.1";
    /**
     * 端口号
     */
    private static final int    PORT       = 6379;
    /**
     * jedis客户端
     */
    private Jedis               jedis;
    /**
     * 累计用户人数key
     */
    private static final String TOTAL_KEY  = "totalKey";
    /**
     * 日均活跃用户人数key
     */
    private static final String ACTIVE_KEY = "activeKey:";

    public Counter() {
        GenericObjectPoolConfig poolConfig = new GenericObjectPoolConfig();
        poolConfig.setMaxTotal(50);
        poolConfig.setMaxIdle(50);
        poolConfig.setMaxWaitMillis(1000);
        JedisPool jedisPool = new JedisPool(poolConfig, IP_ADDRESS, PORT);
        jedis = jedisPool.getResource();
    }

    /**
     * 更新累计和日均活跃用户人数
    * @param userId 用户id
    * @param time 当前日期
     */
    private void updateUser(long userId, String time) {
        if (StringUtils.isBlank(time)) {
            SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
            time = sdf.format(new Date());
        }
        Pipeline pipeline = jedis.pipelined();
        pipeline.setbit(TOTAL_KEY, userId, true);
        pipeline.setbit(ACTIVE_KEY + time, userId, true);
        pipeline.syncAndReturnAll();
    }

    /**
     * 获取累计用户人数
    * @return 累计用户人数
     */
    private Long getTotalUserCount() {
        Pipeline pipeline = jedis.pipelined();
        pipeline.bitcount(TOTAL_KEY);
        List<Object> totalKeyCountList = pipeline.syncAndReturnAll();
        return (Long) totalKeyCountList.get(0);
    }

    /**
     * 获取指定天数内的日均活跃人数
    * @param dayNum 指定天数
    * @return 日均活跃人数
     */
    private Long getActiveUserCount(int dayNum) {
        if (dayNum < 1) {
            return (long) 0;
        }
        List<String> pastDaysKey = new ArrayList<>();
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < dayNum; i++) {
            //保存距今dayNum天数的key的集合
            sb.append(ACTIVE_KEY).append(sdf.format(DateUtils.addDays(new Date(), -i)));
            pastDaysKey.add(sb.toString());
            sb.delete(0, sb.length());
        }
        if (pastDaysKey.isEmpty()) {
            return (long) 0;
        }
        String lastDaysKey = "last" + dayNum + "DaysActive";
        Pipeline pipeline = jedis.pipelined();
        pipeline.bitop(BitOP.AND, lastDaysKey, pastDaysKey.toArray(new String[pastDaysKey.size()]));
        pipeline.bitcount(lastDaysKey);
        //设置过期时间为5分钟
        pipeline.expire(lastDaysKey, 300);
        List<Object> activeKeyCountList = pipeline.syncAndReturnAll();
        return (Long) activeKeyCountList.get(1);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Counter c = new Counter();
        //这里假设当前日期为2019年5月31日，测试的时候需要更改为当前日期的前几天
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            c.updateUser(i, "20190531");
        }
        for (int i = 6; i < 15; i++) {
            c.updateUser(i, "20190530");
        }
        System.out.println("累计用户数：" + c.getTotalUserCount());
        System.out.println("两天内的活跃人数：" + c.getActiveUserCount(2));
    }
}

6. BitMap使用注意事项

　　setbit key offset 1 设置某个offset的位为0或者1时，offset之前的所有byte[]的内存都要被占用，也就是说比如offset=100000，那么对于redis来说他至少需要申请100000/8=12500长度的byte[]数组才行，相当于只有byte[12500]这个字节真正使用到了，前面的byte[0-12499]都没有真正用到，这些内存就白白浪费掉了，所以使用redis的bitmap一定要注意尽量从小整数的序号开始往上加，否则bitmap结构带来的不是redis内存的节省，而是redis内存的爆炸溢出.
　　

　　所以 bitmap 这个数据结构使用要非常慎重才行！！！