Redis - Bitmap 类型

Bitmap

位图的本质，还就是一个 集合，属于是 Set 类型针对整数的特化版本！--- 为了节省空间！

Redis Bitmap（位图）是一种通过位（bit）来存储和操作数据的特殊数据结构，它将每个元素映射到一个二进制位上，通过位的 0/1 状态表示元素的存在与否或状态。这种结构极大地节省了内存空间，适合处理大规模的二值状态数据。

🔍 核心特性与概念

Bitmap 的设计围绕 "高效存储二值状态"，关键特性如下：

• 位级存储：每个元素用 1 个二进制位（bit）表示，1 字节（Byte）可存储 8 个元素，1MB 可存储约 800 万个元素，内存效率极高。
• 二值状态：每个位只能是 0 或 1，适合表示 "存在 / 不存在""在线 / 离线""已读 / 未读" 等二元属性。
• 位运算支持：提供 AND、OR、XOR 等位操作，可高效计算多个 Bitmap 之间的交集、并集等。
• 偏移量访问：通过整数偏移量（offset）定位元素，偏移量范围理论上可达 2^32-1（约 42 亿）。

📝 核心命令分类（附 C++ 示例）

以下示例基于 hiredis 客户端，需先安装依赖（sudo apt install libhiredis-dev）。

1. 基础操作（设置与查询）

命令功能	Redis 命令格式	C++ 代码示例
设置位的值	SETBIT key offset value	为 user_login 中偏移量为 1001 的位设置值（1 = 登录，0 = 未登录）
获取位的值	GETBIT key offset	查询 user_login 中偏移量 1001 的用户是否登录
统计位为 1 的数量	BITCOUNT key [start end]	统计 user_login 中所有登录用户的数量（位为 1 的总数）

代码示例：用户登录状态统计

#include <hiredis/hiredis.h>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 1. 连接 Redis
    redisContext* ctx = redisConnect("127.0.0.1", 6379);
    if (ctx->err) {
        cerr << "连接失败: " << ctx->errstr << endl;
        return 1;
    }

    // 2. 记录用户登录状态（SETBIT user_login 1001 1：用户ID=1001登录）
    // 设置用户1001、1003、1005登录（偏移量=用户ID）
    redisReply* reply = (redisReply*)redisCommand(ctx, "SETBIT user_login 1001 1");
    cout << "用户1001之前的登录状态（0=未登录）: " << reply->integer << endl;
    freeReplyObject(reply);

    (void)redisCommand(ctx, "SETBIT user_login 1003 1");
    (void)redisCommand(ctx, "SETBIT user_login 1005 1");

    // 3. 查询用户1003是否登录（GETBIT user_login 1003）
    reply = (redisReply*)redisCommand(ctx, "GETBIT user_login 1003");
    cout << "用户1003当前登录状态（1=登录）: " << reply->integer << endl;
    freeReplyObject(reply);

    // 4. 统计总登录用户数（BITCOUNT user_login）
    reply = (redisReply*)redisCommand(ctx, "BITCOUNT user_login");
    cout << "总登录用户数: " << reply->integer << endl; // 输出 3
    freeReplyObject(reply);

    // 5. 断开连接
    redisFree(ctx);
    return 0;
}

2. 位运算操作

命令功能	Redis 命令格式	说明
位运算并存储结果	BITOP operation destkey key [key ...]	对多个 Bitmap 执行 AND/OR/XOR/NOT 运算，结果存入 destkey
查找第一个为 0 或 1 的位	BITPOS key bit [start] [end]	从指定范围查找第一个值为 0 或 1 的位偏移量，可用于寻找未使用的 ID

代码示例：活跃用户交集计算

// 假设 user_active_05（5日活跃）和 user_active_06（6日活跃）已存在
// 1. 计算连续两天活跃的用户（交集：AND 运算）
redisReply* reply = (redisReply*)redisCommand(
    ctx, "BITOP AND user_active_05_06 user_active_05 user_active_06"
);
cout << "交集计算影响的位数: " << reply->integer << endl;
freeReplyObject(reply);

// 2. 统计连续活跃用户数
reply = (redisReply*)redisCommand(ctx, "BITCOUNT user_active_05_06");
cout << "连续两天活跃的用户数: " << reply->integer << endl;
freeReplyObject(reply);

// 3. 查找第一个未登录的用户ID（BITPOS user_login 0）
reply = (redisReply*)redisCommand(ctx, "BITPOS user_login 0");
cout << "第一个未登录的用户ID: " << reply->integer << endl;
freeReplyObject(reply);

🎯 典型应用场景

Bitmap 适合需要 存储大量二值状态、进行高效位运算 的场景，具体包括：

用户行为统计

• 签到系统：用一个 Bitmap 记录用户每月签到状态（偏移量 = 日期，1 = 签到），通过 BITCOUNT 统计月签到天数。
• 活跃用户分析：每日用一个 Bitmap 记录活跃用户，通过 BITOP AND 计算连续 N 天活跃的用户。

权限控制

• 用 Bitmap 存储用户权限（每个位代表一种权限），通过位运算快速判断用户是否拥有某权限（如 GETBIT user_perm 5 检查是否有编号 5 的权限）。

ID 去重与状态标记

• 过滤已处理的任务 ID：用 Bitmap 标记已处理的任务（偏移量 = 任务 ID），避免重复处理。
• 黑名单判断：用 Bitmap 存储黑名单用户，快速检查某用户是否在黑名单中。

数据压缩存储

• 存储布尔数组：如某设备的传感器状态（0 = 正常，1 = 异常），相比数组存储节省大量内存。

📌 C++ 开发注意事项

1. 偏移量范围 ：offset 是无符号整数，最大支持 2^32-1（约 42 亿），但实际使用需考虑 Redis 内存限制。
2. 初始化问题：未设置的位默认值为 0，无需预先初始化整个 Bitmap。
3. 批量操作 ：单次 SETBIT 只能操作一个位，批量设置需多次调用，高并发场景建议用管道（pipeline）优化。
4. 位运算性能 ：BITOP 性能与 Bitmap 大小相关，对超大 Bitmap 运算可能阻塞 Redis，建议在非高峰时段执行。
5. 内存计算：Bitmap 占用内存 = (最大偏移量 + 1) / 8 字节，例如最大偏移量为 1 亿时，约占用 12MB 内存。