145. 利用 Redis Bitmap实践： 用户签到统计

在现代应用程序中，用户签到是一个常见的功能。我们通常使用 MySQL 数据库来存储用户的签到记录。然而，随着用户数量的增加，数据库中的记录将会随时间和用户量线性增长，这不仅增加了存储的负担，而且可能影响查询效率。在追求更高存储效率和查询性能的场景下，MySQL 可能不再是最佳选择。

这时，Redis 的 Bitmap 数据结构就显得尤为重要。利用 Redis Bitmap，我们不仅可以大幅度降低存储空间的占用，还可以高效实现复杂的用户行为统计，如连续签到天数、月签到统计等。接下来，本文将详细介绍如何利用 Redis Bitmap 实现高效的用户签到统计功能。

一、Redis Bitmap简介

Redis 的 Bitmap，也称为位图，是一种用于存储和处理二进制位（bit）的数据结构。在 Redis 中，Bitmap 不是一种独立的数据类型，而是字符串类型的一种特殊使用方式。你可以通过特定的命令在字符串数据中处理二进制位。由于 Redis 中字符串的最大存储容量为 512 MB，每个字节有 8 位，因此一个字符串最多可以存储 512 * 1024 * 1024 * 8 = 2^32 个位。

二、Bitmap 的主要应用

• 用户签到统计：每个用户对应一张位图，位图中的每一位代表某一天的签到情况。0 表示未签到，1 表示已签到。通过位图可以快速统计用户的连续签到天数、总签到天数等。
• 布隆过滤器：基于 bitmap 可以实现一个布隆过滤器，bitmap 可以用于高效地判断某个元素是否存在于一个集合中。通过多个哈希函数将元素映射到 bitmap 的不同位上，快速判断元素的存在性。
• 活跃用户统计：可以用 Bitmap 记录用户是否在某一天活跃。例如，用户访问网站或者使用应用时，将相应的位设为 1，通过统计位的数量可以快速计算活跃用户数。
  签到统计功能实现

用户与位图的映射关系

签到记录以年为单位，一个用户，对应一张位图（Bitmap），表示用户在一年内的签到情况。

key 的设计：user:sign:%d:%d，第一个占位符表示年份，第二个占位符表示用户的编号。
bitmap 值的设计：由于一年只有 365 或 366 天，因此我们只需要 bitmap 里面的前 366 位，即 0-365 位。

三、Go使用Redis实现签到统计

接下来将会结合 Go 语言和 Redis 中间件实现以下功能：

• 用户签到
• 查询用户签到状态
• 统计今年累计签到天数
• 统计当月的签到情况

在 Go 程序里安装 Redis 依赖
接下来的功能实现将会使用 Go 语言代码进行演示，因此我们需要先安装 Go Redis 依赖。

go get github.com/redis/go-redis/v9

用户签到

要实现用户签到的功能，我们需要用到 Redis 的 SETBIT 命令。

SETBIT 命令用于设置或清除字符串值中的某个位（bit）值，用法如下所示：

SETBIT key offset value

• key： 键名。
• offset： 位偏移量，表示要设置或清除的位（bit）的位置。位的位置从0开始计数。
• value： 要设置的位值，可以是0或 1。

示例代码：

package mainimport ("context""fmt""github.com/redis/go-redis/v9"
)func RedisClient() *redis.Client {return redis.NewClient(&redis.Options{Addr:     "localhost:6379",Password: "", // no password setDB:       0,  // use default DB})
}func main() {rdb := RedisClient()if rdb == nil {panic("redis client is nil")}// 返回值为这个位（`bit`）被设置新值之前的值。oldValue, err := rdb.SetBit(context.Background(), "user:2024:1", 0, 1).Result()if err != nil {panic(err)}if oldValue == 1 {fmt.Println("重复签到")} else {fmt.Println(oldValue) // 0，表示这个位（`bit`）被设置新值之前的值。}
}

在上述代码示例中，我们通过调用 Redis 客户端实例的 SetBit 方法，将 key 为 user:2024:1 对应的 bitmap 中第 0 位设为 1。这代表 ID 为 1 的用户在 2024-01-01 进行了签到。SetBit 方法的返回值为该位（bit）被设置新值之前的值。

查询用户签到状态

要实现查询用户签到的状态，我们需要用到 Redis 的 GETBIT 命令。

GETBIT 命令用于获取字符串值中的某个位（bit）的值，用法如下所示：

GETBIT key offset

• key： 键名。
• offset： 位偏移量，表示要设置或清除的位（bit）的位置。位的位置从 0 开始计数。

示例代码：

package mainimport ("context""fmt""github.com/redis/go-redis/v9"
)func RedisClient() *redis.Client {return redis.NewClient(&redis.Options{Addr:     "localhost:6379",Password: "", // no password setDB:       0,  // use default DB})
}func main() {rdb := RedisClient()if rdb == nil {panic("redis client is nil")}value, err := rdb.GetBit(context.Background(), "user:2024:1", 0).Result()if err != nil {panic(err)}fmt.Println(value) // 1
}

在上述代码示例中，我们通过调用 Redis 客户端实例的 GetBit 方法，获取到 key 为 user:2024:1 对应的bitmap中的第0位的值为 1，这代表 ID 为 1 的用户在 2024-01-01 已经签到过了。

统计今年累计签到天数

要实现统计一年里的签到次数，我们需要用到 Redis 的 BITFIELD 命令。

Redis 的 BITFIELD 命令是一个非常强大的命令，它允许你执行多种位级操作，包括读取、设置、增加位字段。这个命令能够操作存储在字符串中的位数组，并可以看作是直接在字符串上执行复杂的位操作。用法如下所示：

BITFIELD key [GET type offset] [SET type offset value] [INCRBY type offset increment]

• type：表示操作的位字段宽度。
• offset：表示从该偏移量开始

详情请参考：Redis BITFIRLED Command

示例代码：

package mainimport ("context""fmt""log""time""github.com/redis/go-redis/v9"
)// RedisClient 初始化 Redis 客户端
func RedisClient() *redis.Client {return redis.NewClient(&redis.Options{Addr:     "localhost:6379",Password: "", // no password setDB:       0,  // use default DB})
}// GetConsecutiveDays 计算连续签到天数
func GetConsecutiveDays(ctx context.Context, rdb *redis.Client, userID int, year int, dayOfYear int) (int, error) {key := fmt.Sprintf("user:%d:%d", year, userID)segmentSize := 63consecutiveDays := 0bitOps := make([]any, 0)for i := 0; i < dayOfYear; i += segmentSize {size := segmentSizeif i+segmentSize > dayOfYear {size = dayOfYear - i}// 表示从offset开始，获取指定位字段宽度的值bitOps = append(bitOps, "GET", fmt.Sprintf("u%d", size), fmt.Sprintf("#%d", i))}values, err := rdb.BitField(ctx, key, bitOps...).Result()if err != nil {return 0, fmt.Errorf("failed to get bitfield: %w", err)}for idx, value := range values {if value != 0 {size := segmentSizeif (idx+1)*segmentSize > dayOfYear {size = dayOfYear % segmentSize}for j := 0; j < size; j++ {if (value & (1 << (size - 1 - j))) != 0 {consecutiveDays++}}}}return consecutiveDays, nil
}func main() {rdb := RedisClient()if rdb == nil {log.Fatal("redis client is nil")}now := time.Now()// 获取当前的年份year := now.Year()// 获取当前日期是今年的第几天dayOfYear := now.YearDay()// 假设用户 ID 为 1userID := 1consecutiveDays, err := GetConsecutiveDays(context.Background(), rdb, userID, year, dayOfYear)if err != nil {log.Fatalf("failed to get consecutive days: %v", err)}fmt.Printf("%d 年累计签到的天数: %d\n", year, consecutiveDays)
}

上述代码实现了统计今年累计签到天数的功能，流程如下：

• 获取 Redis 客户端实例： 使用 redis.NewClient() 方法连接 Redis 至服务器，并获取一个客户端实例。
• 获取时间因子：
  • 当前年份： 通过 year := now.Year() 获取。
  • 今天是今年的第几天： 通过dayOfYear := now.YearDay() 获取。
• 设定用户 ID： 示例中假设用户 ID 为 1。
• 构建 Redis Key：使用年份和用户ID构建一个唯一的 Redis Key，格式为 user:年份:用户ID。
• 定义位操作的区间大小： 由于位域命令BitField的每个操作可以处理的最大长度是 63 位，定义 segmentSize := 63 来批量处理签到数据。一个区间表示 63 天的签到情况。
• 封装 BitField 命令的参数： 通过循环将从年初到当前日期的天数（dayOfYear）分割为每段最多包含63天的多个区间，动态构建 BitField 命令的参数。
• 执行BitField命令： 使用rdb.BitField()方法执行构建好的 BitField 命令，返回一个包含位二进制对应的十进制表示的int64类型切片。
• 统计累计签到天数： 遍历结果数组，针对每个非零的结果使用位运算（& 操作和位移操作）来检测签到情况，每发现一个1就将consecutiveDays增加 1。

统计当月的签到情况

要实现统计某月的签到情况，同样我们也需要用到 Redis 的 BITFIELD 命令。

示例代码：

package mainimport ("context""errors""fmt""log""time""github.com/redis/go-redis/v9"
)func RedisClient() *redis.Client {return redis.NewClient(&redis.Options{Addr:     "localhost:6379",Password: "", // no password setDB:       0,  // use default DB})
}func main() {rdb := RedisClient()if rdb == nil {panic("redis client is nil")}now := time.Now()// 获取当前的年份year := now.Year()// 假设用户 ID 为 1userID := 1// 获取当前月的天数days := time.Date(now.Year(), now.Month()+1, 1, 0, 0, 0, 0, now.Location()).Add(-24 * time.Hour).Day()// 获取本月初是今年的第几天offset := time.Date(now.Year(), now.Month(), 1, 0, 0, 0, 0, now.Location()).YearDay()signOfMonth, err := GetSignOfMonth(context.Background(), rdb, userID, year, days, offset)if err != nil {log.Fatal(err)}fmt.Println(signOfMonth)
}func GetSignOfMonth(ctx context.Context, rdb *redis.Client, userID, year, days, offset int) ([]bool, error) {typ := fmt.Sprintf("u%d", days)key := fmt.Sprintf("user:%d:%d", year, userID)s, err := rdb.BitField(ctx, key, "GET", typ, offset).Result()if err != nil {return nil, fmt.Errorf("failed to get bitfield: %w", err)}if len(s) != 0 {signInBits := s[0]signInSlice := make([]bool, days)for i := 0; i < days; i++ {signInSlice[i] = (signInBits & (1 << (days - 1 - i))) != 0}return signInSlice, nil} else {return nil, errors.New("no result returned from BITFIELD command")}
}

上述代码实现了统计当月的签到情况的功能，流程如下：

• 获取 Redis 客户端实例：使用 redis.NewClient() 方法连接至 Redis 服务器，并获取一个客户端实例。
• 获取时间因子：
  • 当前年份：通过 year := now.Year() 获取。
  • 当前月的天数：通过 time.Date(now.Year(), now.Month()+1, 1, 0, 0, 0, 0, now.Location()).Add(-24 * time.Hour).Day() 计算。
  • 本月初是今年的第几天：通过 time.Date(now.Year(), now.Month(), 1, 0, 0, 0, 0, now.Location()).YearDay() 获取。
• 设定用户 ID：示例中假设用户 ID 为 1。
• 构建 Redis key 和 BitField 命令的参数：
• 使用年份和用户 ID 构建一个唯一的 Redis Key，格式为 user:年份:用户ID。
• 使用当月天数 days 构建 type 参数 fmt.Sprintf("u%d", days)，表示操作的位字段宽度。
• 执行 BitField 命令：通过 rdb.BitField() 方法执行 BitField 命令，返回一个包含位二进制对应的十进制表示的 int64 类型切片。
• 统计当月的签到情况：通过位运算（与操作和位移操作）检测每天的签到状态，将结果以布尔切片形式返回，其中 true 表示签到，false 表示未签到。
• 我们可以根据布尔切片的元素在用户端展示当月的签到情况，例如 签到日历。

总结

本文详细介绍了如何利用 Redis Bitmap 类型实现高效的用户签到统计功能。内容包括 Redis Bitmap 数据类型的简单介绍及其应用场景，并通过 Go 语言程序简单实现了用户签到、查询用户签到状态 和 统计今年累计签到天数 以及 统计当月的签到情况的功能。

虽然 Redis bitmap 数据类型在统计用户签到情况方面具有显著优势，主要体现在以下两点：

• 高效存储：每个用户的签到信息仅占用一个位，从而极大地节省了存储空间。
• 快速查询：可以通过位操作快速查询用户的签到状态和统计签到天数。

然而，Redis Bitmap 数据类型也有其局限性。例如，使用 Bitmap 存储数据时，只能存储单一状态。如果需要存储额外的具体签到时间或其他相关信息，Bitmap 并不适用。

总的来说，Redis Bitmap 非常适合实现高效的签到统计功能，但在设计系统时需要根据具体需求权衡其优缺点。