解析redis的bitmap

Redis是一种快速、开源和高性能的数据库，支持多种数据结构，其中包括bitmap。在本文中，我们将深入了解Redis中的bitmap，包括它的内部实现和用例。

1. 什么是bitmap

在计算机科学中，位图是一种用于存储图像的数据结构。其将图像分成具有相同大小的网格，并为每个像素分配一个二进制值，向量或整数值。在Redis中，bitmap指的是一种特殊的数据结构，其中每个位都可以被设置或复位。

1.1 位运算

在了解bitmap之前，我们需要了解一些位运算的基础知识。

位运算是二进制数之间的运算。在Redis中，有四种主要的位运算可用。这些是：

AND

OR

NOT

XOR

下面是一些位运算操作的示例：

AND: 1010 & 1100 = 1000

OR: 1010 | 1100 = 1110
NOT: ~1010 = 0101
XOR: 1010 ^ 1100 = 0110

2. Redis中的bitmap

在Redis中，bitmap是一个字符串数据类型，每个字符都可以存储一个字节（8位）。因此，为了存储位图，我们可以使用一组二进制值代表的字节数组。例如，我们可以使用以下命令在Redis中创建一个长度为10的bitmap：

setbit mybitmap 0 1

setbit mybitmap 1 0
setbit mybitmap 2 1
setbit mybitmap 3 0
setbit mybitmap 4 0
setbit mybitmap 5 0
setbit mybitmap 6 1
setbit mybitmap 7 1
setbit mybitmap 8 0
setbit mybitmap 9 1

在上面的示例中，我们使用setbit命令为mybitmap键设置了10个位。我们可以使用get命令读取二进制位，如下所示：

get mybitmap

'93'

在上面的输出中，我们可以看到二进制值为10010011。其中的“1”表示被设置为1的位，“0”表示为复位的位，我们可以使用任何用于计算数字的位运算，如AND，OR和XOR，来操作Redis中的位图。

3. Redis中的bitmap用例

Redis中的bitmap可用于多种用途，最常见的用例之一是跟踪用户的在线状态。例如，我们可以使用以下命令来表示所有在线用户的bitmap：

setbit online_users 1001 1

setbit online_users 1010 1
setbit online_users 1100 1

在上面的示例中，我们为用户1001，1010和1100设置了位图，并将它们的值设置为1，表示他们都在线。

3.1 统计在线用户

我们可以使用位运算符中的AND操作符来计算在线用户的数量。如果在线用户存在于另一个bitmap中，则可以执行以下操作：

bitop AND online_and_another_bitmap online_users another_bitmap

bitcount online_and_another_bitmap

在上面的示例中，我们使用了bitop命令将两个位图进行AND操作，并使用bitcount命令统计了在线用户的数量。

3.2 统计用户在线时间

我们可以在每个用户的位图上设置时间戳，并使用XOR操作符来计算用户在线时间。例如，我们可以使用以下命令为用户1001设置时间戳：

setbit user:1001:timestamps 500 1

在上面的示例中，我们为用户1001设置了一个名为user:1001:timestamps的位图，并将其第500位设置为1，表示该用户在500秒时在线。

我们可以使用XOR操作来计算用户所在线时间：

bitop XOR online_times user:1001:timestamps user:1010:timestamps user:1100:timestamps

在上面的示例中，我们使用了bitop XOP命令将时间戳位图进行XOR操作，并将结果保存到了online_times位图中。这将给我们一个包含所有在线时间的位图。

3.3 压缩位图

为了减少在Redis中存储位图的大小，我们可以使用Redis 3.2中增加的弹性位图数据结构。该数据结构具有内置位压缩功能，可以将几个位图压缩到一个更小的位图中。

要创建可压缩的位图，我们可以使用以下命令：

setbit mybitmap:0 0 1

setbit mybitmap:1 0 0
setbit mybitmap:2 0 1
setbit mybitmap:3 0 1
setbit mybitmap:4 1 0
setbit mybitmap:5 1 0
setbit mybitmap:6 1 1
setbit mybitmap:7 1 0
setbit mybitmap:8 0 1
setbit mybitmap:9 0 0
setbit mybitmap:10 0 1
setbit mybitmap:11 0 1
setbit mybitmap:12 1 0
setbit mybitmap:13 1 0
setbit mybitmap:14 1 1
setbit mybitmap:15 1 0

在上面的示例中，我们使用setbit命令创建了一个长度为16的位图。我们可以使用以下命令使该位图可压缩：

set mybitmap:meta:compressed 1

在上面的示例中，我们为位图添加了一个meta:compressed标记，使其成为可压缩的位图。

要压缩位图，我们可以使用以下命令：

bitop NOT mybitmap_compressed mybitmap

bitpos mybitmap_compressed 0

在上面的示例中，我们使用bitop命令NOT来对原始位图进行取反操作，并使用bitpos命令找到第一个0位的位置。该命令将返回0，表示我们可以从第0位开始进行压缩。我们可以使用如下的命令进行压缩：

bitop BITFIELD mybitmap_compressed SET u24 #0 1 GET u24 #0

在上面的示例中，我们使用了BITFIELD命令设置位图的第0位，并使用GET u24 #0命令获取了第0位的值。该命令的执行结果为：

1

在上面的示例中，我们将原始位图的前8位压缩到一个8位表示中。

4. 总结

在Redis中，bitmap是一种特殊的数据结构，其中每个位都可以被设置或复位。我们使用Redis的位运算操作符来操作这些位，包括AND、OR、NOT和XOR。Bitmap可用于多种用途，最常见的用例之一是跟踪用户的在线状态。我们可以在每个用户的位图上设置时间戳，并使用XOR操作符来计算用户在线时间。我们也可以使用Redis的弹性位图数据结构来压缩位图，以减少存储空间的开销。