Redis之_节衣缩食_位图
前言
Github：https://github.com/HealerJean
1、为什么用位图
位图不是特殊的数据结构，它的内容其实就是普通的字符串，也就是
byte数组。我们 可以使用普通的get/set直接获取和设置整个位图的内容，也可以使用位图操作getbit/setbit等将byte数组看成「位数组」来处理。在我们平时开发过程中，会有一些
bool型数据需要存取，比如用户一年的签到记录， 签了是1，没签是0，要记录365天。如果使用普通的key/value，每个用户要记录365个，当用户上亿的时候，需要的存储空间是惊人的。为了解决这个问题，
Redis提供了位图数据结构，这样每天的签到记录只占据一个位，365天就是365个位，46个字节 (46*8bit = 368 > 365一个稍长一点的字符串) 就可以完全容纳下，这就大大 节约了存储空间。
2、基本使用
Redis的位数组是自动扩展，如果设置了某个偏移位置超出了现有的内容范围，就会自动将位数组进行零扩充。
案例：接下来我们使用位操作将字符串设置为 hello (不是直接使用 set 指令)，首先我们需要得到 hello 的 ASCII 码
| ASCII | 二进制 |
|---|---|
| h | 01101000 |
| e | 01100101 |
| l | 01101100 |
| l | 01101100 |
| o | 01101111 |
接下来我们使用 redis-cli 设置第一个字符，也就是位数组的前 8 位，我们只需要设置值为 1 的位，如上图所示，
⬤ h 字符只有 1/2/4 位需要设置
⬤ e 字符只有 9/10/13/15 位需要设置。
⬤ l字符只有17 、18、 20、 21
⬤ ………………
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> get s
"h"
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"
2.1、零存零取
「零存」就是使用
setbit对位值进行逐个设置，
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
(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
2.2、整存零取
「整存」就是使用字符串一次性填充所有位数组，覆盖掉旧值。
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
2.3、不可打印字符，显示16进制
如果对应位的字节是不可打印字符，
redis-cli会显示该字符的 16 进制形式。
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"
3、统计和查找
Redis提供了位图统计指令bitcount和位图查找指令bitpos，⬤
bitcount用来统计指定位 置范围内1的个数，⬤
bitpos用来查找指定范围内出现的第一个0或1。
start和end参数是字节索引（第几个字符），也就是说指定的位范围必须是8的倍数， 而不能任意指定 这很奇怪，我表示不是很能理解
Antirez为什么要这样设计。因为这个设 计，我们无法直接计算某个月内用户签到了多少天，而必须要将这个月所覆盖的字节内容全 部取出来 (getrange可以取出字符串的子串) 然后在内存里进行统计，这个非常繁琐。
1、通过 bitcount 统计用户一共签到了多少天，
2、通过 bitpos 指令查找用户从 哪一天开始第一次签到。
如果指定了范围参数[start, end]，就可以统计在某个时间范围内用户 签到了多少天，用户自某天以后的哪天开始签到。
127.0.0.1:6379> set w hello
OK
127.0.0.1:6379> bitcount w # 总共有
(integer) 21
127.0.0.1:6379> bitcount w 0 0 # 第一个字符中 1 的位数，h -> 3个1
(integer) 3
127.0.0.1:6379> bitcount w 0 1 # 前两个字符中 1 的位数 he -> 7个1
(integer) 7
127.0.0.1:6379> bitpos w 0 # 第一个bit 0 位
(integer) 0
127.0.0.1:6379> bitpos w 1 # 第一个bit 1 位
(integer) 1
127.0.0.1:6379> bitpos w 1 1 1 # 从第二个字符算起（1-1），第一个 1 位
(integer) 9
127.0.0.1:6379> bitpos w 1 2 2 # 从第三个字符算起（2-2），第一个 1 位
(integer) 17
3、魔术指令 bitfield
前文我们设置 (
setbit) 和获取 (getbit) 指定位的值都是单个位的，如果要一次操作多个位，就必须使用管道来处理。不过
Redis的 3.2 版本以后新增了一个功能强大的指令，有 了这条指令，不用管道也可以一次进行多个位的操作。⬤
bitfield有三个子指令，分别是get/set/incrby，它们都可以对指定位片段进行读写，但是最多只能处理64个连续的位，如果 超过64位，就得使用多个子指令，bitfield可以一次执行多个子指令。
⬤ 有符号数是指获取的位数组中第一个位是符号位，剩下的才是值，如果第一位是 1，那就是负数。（有符号数最多可以获取 64 位）
⬤ 无符号数表示非负数，没有符号位，获取的位数组全部都是值。无符号数只能获取 63 位（因为首位表示正数/负数）
127.0.0.1:6379> set w hello
OK
127.0.0.1:6379> bitfield w get u4 0 # 从第一个位开始取 4 个位，结果是无符号数 (u)
(integer) 6
0110 -> 6
127.0.0.1:6379> bitfield w get u3 2 # 从第三个位开始取 3 个位，结果是无符号数 (u)
(integer) 5
101 -> 5
127.0.0.1:6379> bitfield w get i4 0 # 从第一个位开始取 4 个位，结果是有符号数 (i)
1) (integer) 6
0110 -> 0开头表示正数 -> 6
127.0.0.1:6379> bitfield w get i3 2 # 从第三个位开始取 3 个位，结果是有符号数 (i)
1) (integer) -3
101 -> 1开头表示负数 -> 减1 -> 100 取反 011 -> 3 -> 加负号 -3
3.1、一次执行多个指令
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
3.1.2、set：修改字符
然后我们使用 set 子指令将第二个字符 e 改成 a，a 的 ASCII 码是 97。
127.0.0.1:6379> bitfield w set u8 8 97 #从第9个位开始，将接下来的 8 个位用无符号数 97 替换
1) (integer) 101
127.0.0.1:6379> get w
"hallo"
3.2.3、incrby：自增
再看第三个子指令
incrby，它用来对指定范围的位进行自增操作。既然提到自增，就有可能出现溢出，bitfield指令提供了溢出策略子指令overflow，用户可以选择溢出行为。⬤ 如果增加了正数，会出现上溢
⬤ 如果增加的是负数，就会出现下溢出。
3.2.3.1、折返 (wrap)
Redis 默认的处理是折返。如果出现了溢出，就将溢出的符号位丢掉。
◯ 如果是 8 位无符号数
255， 加 1 后就会溢出，会全部变零。◯ 如果是 8 位有符号数
127，加1后就会溢出变成-128。
127.0.0.1:6379> set w hello
OK
127.0.0.1:6379> bitfield w incrby u4 2 1 # 从第三个位开始，对接下来的 4 位无符号数 +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
3.2.3.2、饱和截断 SAT
饱和截断 (
sat)，超过了范围就停留在最大/最小值。`
127.0.0.1:6379> set w hello
OK
127.0.0.1:6379> bitfield w overflow sat incrby u4 2 1 # 从第三个位开始，对接下来的 4 位无符号数 +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) (intege) 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
3.2.3.3、失败不执行 FAIL
失败 (
fail) 报错不执行
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 # 不执行
1) (nil)
