在我們平時開發過程中，會有一些 bool 型數據需要存取，比如用戶一年的簽到記錄，簽了是 1，沒簽是 0，要記錄 365 天。如果使用普通的 key/value，每個用戶要記錄 365 個，當用戶上億的時候，需要的存儲空間是驚人的。 為了解決這個問題，Redis 提供了位圖數據結構，這樣每天的簽到記錄只占據一個位，365 天就是 365 個位，46 個字節 (一個稍長一點的字符串) 就可以完全容納下，這就大大節約了存儲空間。  位圖不是特殊的數據結構，它的內容其實就是普通的字符串，也就是 byte 數組。我們可以使用普通的 get/set 直接獲取和設置整個位圖的內容，也可以使用位圖操作 getbit/setbit 等將 byte 數組看成「位數組」來處理。 當我們要統計月活的時候，因為需要去重，需要使用 set 來記錄所有活躍用戶的 id，這非常浪費內存。這時就可以考慮使用位圖來標記用戶的活躍狀態。每個用戶會都在這個位圖的一個確定位置上，0 表示不活躍，1 表示活躍。然后到月底遍歷一次位圖就可以得到月度活躍用戶數。不過這個方法也是有條件的，那就是 userid 是整數連續的，并且活躍占比較高，否則可能得不償失。 本節略顯枯燥，如果讀者看的有點蒙，這是正常現象，讀者可以跳過閱讀下一節。以老錢的經驗，在面試中有 Redis 位圖使用經驗的同學很少，如果你對 Redis 的位圖有所了解，它將會是你的面試加分項。 ## 基本使用 Redis 的位數組是自動擴展，如果設置了某個偏移位置超出了現有的內容范圍，就會自動將位數組進行零擴充。 接下來我們使用位操作將字符串設置為 hello (不是直接使用 set 指令)，首先我們需要得到 hello 的 ASCII 碼，用 Python 命令行可以很方便地得到每個字符的 ASCII 碼的二進制值。 ~~~ >>> bin(ord('h')) '0b1101000' # 高位 -> 低位 >>> bin(ord('e')) '0b1100101' >>> bin(ord('l')) '0b1101100' >>> bin(ord('l')) '0b1101100' >>> bin(ord('o')) '0b1101111' ~~~  接下來我們使用 redis-cli 設置第一個字符，也就是位數組的前 8 位，我們只需要設置值為 1 的位，如上圖所示，h 字符只有 1/2/4 位需要設置，e 字符只有 9/10/13/15 位需要設置。值得注意的是位數組的順序和字符的位順序是相反的。 ~~~ 127.0.0.1:6379> setbit s 1 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit s 2 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit s 4 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit s 9 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit s 10 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit s 13 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit s 15 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> get s "he" ~~~ 上面這個例子可以理解為「零存整取」，同樣我們還也可以「零存零取」，「整存零取」。「零存」就是使用 setbit 對位值進行逐個設置，「整存」就是使用字符串一次性填充所有位數組，覆蓋掉舊值。 **零存零取** ~~~ 127.0.0.1:6379> setbit w 1 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit w 2 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit w 4 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> getbit w 1 # 獲取某個具體位置的值 0/1 (integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit w 2 (integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit w 4 (integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit w 5 (integer) 0 ~~~ **整存零取** ~~~ 127.0.0.1:6379> set w h # 整存 (integer) 0 127.0.0.1:6379> getbit w 1 (integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit w 2 (integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit w 4 (integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit w 5 (integer) 0 ~~~ 如果對應位的字節是不可打印字符，redis-cli 會顯示該字符的 16 進制形式。 ~~~ 127.0.0.1:6379> setbit x 0 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit x 1 1 (integer) 0 127.0.0.1:6379> get x "\xc0" ~~~ ## 統計和查找 Redis 提供了位圖統計指令 bitcount 和位圖查找指令 bitpos，bitcount 用來統計指定位置范圍內 1 的個數，bitpos 用來查找指定范圍內出現的第一個 0 或 1。 比如我們可以通過 bitcount 統計用戶一共簽到了多少天，通過 bitpos 指令查找用戶從哪一天開始第一次簽到。如果指定了范圍參數`[start, end]`，就可以統計在某個時間范圍內用戶簽到了多少天，用戶自某天以后的哪天開始簽到。 遺憾的是， start 和 end 參數是字節索引，也就是說指定的位范圍必須是 8 的倍數，而不能任意指定。這很奇怪，我表示不是很能理解 Antirez 為什么要這樣設計。因為這個設計，我們無法直接計算某個月內用戶簽到了多少天，而必須要將這個月所覆蓋的字節內容全部取出來 (getrange 可以取出字符串的子串) 然后在內存里進行統計，這個非常繁瑣。 接下來我們簡單試用一下 bitcount 指令和 bitpos 指令: ~~~ 127.0.0.1:6379> set w hello OK 127.0.0.1:6379> bitcount w (integer) 21 127.0.0.1:6379> bitcount w 0 0 # 第一個字符中 1 的位數 (integer) 3 127.0.0.1:6379> bitcount w 0 1 # 前兩個字符中 1 的位數 (integer) 7 127.0.0.1:6379> bitpos w 0 # 第一個 0 位 (integer) 0 127.0.0.1:6379> bitpos w 1 # 第一個 1 位 (integer) 1 127.0.0.1:6379> bitpos w 1 1 1 # 從第二個字符算起，第一個 1 位 (integer) 9 127.0.0.1:6379> bitpos w 1 2 2 # 從第三個字符算起，第一個 1 位 (integer) 17 ~~~ ## 魔術指令 bitfield 前文我們設置 (setbit) 和獲取 (getbit) 指定位的值都是單個位的，如果要一次操作多個位，就必須使用管道來處理。 不過 Redis 的 3.2 版本以后新增了一個功能強大的指令，有了這條指令，不用管道也可以一次進行多個位的操作。 bitfield 有三個子指令，分別是 get/set/incrby，它們都可以對指定位片段進行讀寫，但是最多只能處理 64 個連續的位，如果超過 64 位，就得使用多個子指令，bitfield 可以一次執行多個子指令。  接下來我們對照著上面的圖看個簡單的例子: ~~~ 127.0.0.1:6379> set w hello OK 127.0.0.1:6379> bitfield w get u4 0 # 從第一個位開始取 4 個位，結果是無符號數 (u) (integer) 6 127.0.0.1:6379> bitfield w get u3 2 # 從第三個位開始取 3 個位，結果是無符號數 (u) (integer) 5 127.0.0.1:6379> bitfield w get i4 0 # 從第一個位開始取 4 個位，結果是有符號數 (i) 1) (integer) 6 127.0.0.1:6379> bitfield w get i3 2 # 從第三個位開始取 3 個位，結果是有符號數 (i) 1) (integer) -3 ~~~ 所謂有符號數是指獲取的位數組中第一個位是符號位，剩下的才是值。如果第一位是 1，那就是負數。無符號數表示非負數，沒有符號位，獲取的位數組全部都是值。有符號數最多可以獲取 64 位，無符號數只能獲取 63 位 (因為 Redis 協議中的 integer 是有符號數，最大 64 位，不能傳遞 64 位無符號值)。如果超出位數限制，Redis 就會告訴你參數錯誤。 接下來我們一次執行多個子指令: ~~~ 127.0.0.1:6379> bitfield w get u4 0 get u3 2 get i4 0 get i3 2 1) (integer) 6 2) (integer) 5 3) (integer) 6 4) (integer) -3 ~~~ wow，很魔法有沒有！ 然后我們使用 set 子指令將第二個字符 e 改成 a，a 的 ASCII 碼是 97，返回舊值。 ~~~ 127.0.0.1:6379> bitfield w set u8 8 97 # 從第 9 個位開始，將接下來的 8 個位用無符號數 97 替換 1) (integer) 101 127.0.0.1:6379> get w "hallo" ~~~ 再看第三個子指令 incrby，它用來對指定范圍的位進行自增操作。既然提到自增，就有可能出現溢出。如果增加了正數，會出現上溢，如果增加的是負數，就會出現下溢出。Redis 默認的處理是折返。如果出現了溢出，就將溢出的符號位丟掉。如果是 8 位無符號數 255，加 1 后就會溢出，會全部變零。如果是 8 位有符號數 127，加 1 后就會溢出變成 -128。 接下來我們實踐一下這個子指令 incrby : ~~~ 127.0.0.1:6379> set w hello OK 127.0.0.1:6379> bitfield w incrby u4 2 1 # 從第三個位開始，對接下來的 4 位無符號數 +1 1) (integer) 11 127.0.0.1:6379> bitfield w incrby u4 2 1 1) (integer) 12 127.0.0.1:6379> bitfield w incrby u4 2 1 1) (integer) 13 127.0.0.1:6379> bitfield w incrby u4 2 1 1) (integer) 14 127.0.0.1:6379> bitfield w incrby u4 2 1 1) (integer) 15 127.0.0.1:6379> bitfield w incrby u4 2 1 # 溢出折返了 1) (integer) 0 ~~~ bitfield 指令提供了溢出策略子指令 overflow，用戶可以選擇溢出行為，默認是折返 (wrap)，還可以選擇失敗 (fail) 報錯不執行，以及飽和截斷 (sat)，超過了范圍就停留在最大最小值。overflow 指令只影響接下來的第一條指令，這條指令執行完后溢出策略會變成默認值折返 (wrap)。 接下來我們分別試試這兩個策略的行為 **飽和截斷 SAT** ~~~ 127.0.0.1:6379> set w hello OK 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow sat incrby u4 2 1 1) (integer) 11 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow sat incrby u4 2 1 1) (integer) 12 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow sat incrby u4 2 1 1) (integer) 13 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow sat incrby u4 2 1 1) (integer) 14 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow sat incrby u4 2 1 1) (integer) 15 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow sat incrby u4 2 1 # 保持最大值 1) (integer) 15 ~~~ **失敗不執行 FAIL** ~~~ 127.0.0.1:6379> set w hello OK 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow fail incrby u4 2 1 1) (integer) 11 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow fail incrby u4 2 1 1) (integer) 12 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow fail incrby u4 2 1 1) (integer) 13 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow fail incrby u4 2 1 1) (integer) 14 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow fail incrby u4 2 1 1) (integer) 15 127.0.0.1:6379> bitfield w overflow fail incrby u4 2 1 # 不執行 1) (nil) ~~~