Redis BitMap介绍及使用场景示例

一、什么是 BitMap？

BitMap（位图） 是 Redis 中一种特殊的数据结构，它并不是独立的数据类型，而是基于 String 类型实现的二进制位操作。每个位（bit）只能存储 0 或 1，通过偏移量（offset）来定位具体的位。以下是其底层实现原理：

数据结构

bash 复制代码

c

// Redis 字符串对象结构（简化）
struct SDS {
    char buf[];     // 字节数组
    size_t len;     // 长度
    size_t free;    // 空闲空间
}

内存布局示例

bash 复制代码

text

偏移量:   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11
字节:    [0  1   0   1   1   0   1   0   0   1   0   1]
位值:    0   1   0   1   1   0   1   0   0   1   0   1
索引:    ↓   ↓   ↓   ↓   ↓   ↓   ↓   ↓   ↓   ↓   ↓   ↓
offset:  0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11

内存计算

每个位占 1 bit
1 字节 = 8 bits
偏移量 offset 范围：0 到 2^32-1（42.9亿）
最大占用内存：约 512 MB（2^32 bits = 512 MB）

二、BitMap 的主要使用场景：

1. 用户行为统计与标记

场景

记录用户是否执行过某个操作（如是否登录、是否领取奖励）。
标记用户属性（如是否VIP、是否启用通知）。

示例

bash 复制代码

# 记录用户ID为1001的用户已登录
SETBIT user:login:20250130 1001 1

# 检查用户1001今天是否登录
GETBIT user:login:20250130 1001

# 统计今天登录用户数
BITCOUNT user:login:20250130

2. 活跃用户统计（如 DAU/MAU）

场景

统计每日/每月活跃用户数。
使用多个 BitMap 进行集合运算（如计算连续活跃用户）。

示例

bash 复制代码

# 记录2025-01-30和2025-01-31的活跃用户
SETBIT active:20250130 1001 1
SETBIT active:20250131 1002 1

# 计算两天都活跃的用户（交集）
BITOP AND active:both_days active:20250130 active:20250131
BITCOUNT active:both_days

3. 布隆过滤器（Bloom Filter）实现

场景

用于快速判断元素是否存在（如防缓存穿透、爬虫URL去重）。
可能存在误判（假阳性），但节省内存且速度快。

示例原理

使用多个哈希函数将元素映射到 BitMap 的不同位，检查时若所有位均为1则可能存在。

4. 实时数据监控与标记

场景

设备在线状态监控（每个位代表一个设备ID）。
系统错误标记（按时间片记录错误发生情况）。

示例

bash 复制代码

# 监控1000台设备，ID 50的设备上线
SETBIT devices:online 50 1

# 批量检查设备状态
BITFIELD devices:online GET u1 50 GET u1 51

5. 节省空间的布尔值存储

场景

当需要存储大量布尔值（是/否）时，BitMap 比 Set/Hash 更省内存。
例如：10亿用户的签到记录仅需约 120 MB（而 Set 需要 GB 级别）。

内存对比

1亿用户签到记录：
- BitMap：约 1亿 / 8 / 1024² ≈ 12 MB
- Set：每个用户ID占约8字节，约 8 * 1亿 / 1024² ≈ 763 MB

6. 时间序列数据压缩存储

场景

记录用户每小时的在线状态（24位即可存一天）。
配合 BITFIELD 命令进行紧凑存储和读取。

示例

bash 复制代码

# 用24位存储用户1001一天每小时在线状态（1在线，0离线）
BITFIELD user:1001:20250130 SET u1 0 1 SET u1 1 0 ... SET u1 23 1

# 读取第10小时的状态
BITFIELD user:1001:20250130 GET u1 10

7. 特征标记与AB测试

场景

用户分群标记（如"男性+90后+喜欢科技"）。
A/B测试分组（每个位代表一个实验分组）。

三、其他事项及总结

注意事项

适合大数据量布尔值：数据量较小时可直接用 Set/Hash。
位偏移量限制：偏移量（offset）最大为 2^32-1（约42亿）。
稀疏数据可能浪费内存：如果位分布非常稀疏，可能不如 Set 节省内存。
持久化考虑：RDB 持久化时 BitMap 会存为字符串，AOF 会记录位操作命令。

经典案例：用户签到系统

bash 复制代码

# 用户1001在2025年1月30日签到
SETBIT sign:1001:202501 30 1  # 月份为键，日期为偏移量

# 统计当月签到天数
BITCOUNT sign:1001:202501

# 获取连续签到情况（使用BITFIELD或BITPOS）
BITFIELD sign:1001:202501 GET u31 0  # 获取前31位数据

常用命令

bash 复制代码

SETBIT key offset 0/1     # 设置位
GETBIT key offset         # 获取位
BITCOUNT key [start end]  # 统计1的个数
BITOP AND/OR/XOR dest key1 key2  # 位运算
BITPOS key bit [start] [end]     # 查找第一个0/1的位置
BITFIELD key [GET/SET/INCRBY]    # 位域操作

BitMap 在需要高性能、低内存消耗的布尔值存储和统计场景中极具优势，但在复杂查询或非二进制场景下需结合其他数据结构使用。