面试官嘲笑我,这你都不会?

我是阿沐
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01 背景

大家好,我是阿沐!你的收获便是我的喜欢,你的点赞便是对我的认可。

多年前刚毕业出来工作的时候,那个时候刚毕业对缓存的使用基本上可以说很少涉及,在大学做课件设计或者小型项目也都是用不到缓存,再者说了我大学是做嵌入式写汇编语言和c语言的。

当时出实习去找工作并不顺利,面试官问了知道redis和memcached区别嘛?额,我当时虽然也做了一些功课,就是恶补redis基础以及应用,但是并不是很熟悉;就支支吾吾地回答个一知半解。然后又问我,假如公司现在做一个app,app有签到功能,你该怎么做?

“这很难嘛?”,直接对着面试官说用mysql存储就可以啦。

“目前我们有20多万的活跃用户,你确定只用mysql存储嘛?你就不怕把我们数据库搞炸了?”,面试官很费解的看着我,心里好像在对我说,真是个菜鸟。这么简单就不会?

正好最近有小伙伴问了这关于签到方面的知识点,这里就来说一说!

02 位图是什么梗?

官网说:位图并不是一个真实的数据类型,而是定义在字符串类型上的面向位的操作集合。位图的最小单位是比特(bit),每一个bit的值只能是0或者1。redis中字符串限制最大为512M,所以位图中最大可容纳2^32(42亿)个不同的位。

可以将位图看做是一个bit数组,数组的下标就是偏移量

它的优点:内存开销小,效率高且操作简单。

面试官嘲笑我,这你都不会?

03 我们用位图能做什么?

  • 统计用户每日签到(最最最常用的)
  • 统计日活/越活活跃用户(扩展:精确数据:用hivespark统计;非精确数据,用HyperLogLog)
  • 用户在线状态实时统计(1亿用户大概:需要12MB的存储空间)
  • 数据双写去重
  • 视频、文章等等的已读或未读状态

04 位图有哪些指令可以使用?

1、查找select指令操作:

getbit指令:getbit key offset 获取指定偏移量上的位(bit);时间复杂度O(1)。

注意:

当key不存在或者offset比字符串值的长度大时,则返回0。

bitcount指令:bitcount key [start] [end]获取指定范围内比特位的数量;时间复杂度O(n)。

注意:

当key不存在时会被当成是空字符串来处理,所以返回值为0。

bitpos指令:bittops key bit [start] [end] 获取位图中第一个值为bit的二进制位的位置;时间复杂度: O(n),其中n为位图包含的二进制位数量。

2、添加insert指令操作:

setbit指令:setbit key offset value 设置key所储存的字符串值,或清除指定偏移量上的位(bit);时间复杂度:O(1)。

注意:

1、位的设置或清除取决于value参数,0或者1。

2、当key不存在时,自动生成一个新的字符串值。

3、位数组会自动伸展扩充,offet偏移量设置超出现现有的内容范围,为确保value值在指定偏移量上,会通过扩容,空白位置用0填充补上,

4、offet参数值必须大于或者等于0,小于2^32(字符串最大值是512M)

下面是我整理哈希类型命令的时间复杂度,大家可以参考此表:

指令 时间复杂度
getbit key offset O(1)
bitcount key [start] [end] O(n),n是位数量的大小
setbit key offset value O(1)
bittops key bit [start] [end] O(n),n是二进制位数量

05 位图实践系列

我们要实现的功能是最最最常用的签到,实现功能如下:

  • 1、签到打卡
  • 2、检测某一天是否打卡(因为大部分app只会存在当日是否签到按钮)
  • 3、获取用户某月打卡记录列表
  • 4、统计用户某月打卡总次数
  • 5、获取用户某月连续打卡次数
  • 6、用户补签

我们首先创建一个关系型的用户打卡信息数据表,存储用户的打卡信息,这里强调一点:

看过网络上很多人只用redis才存储用户打卡信息,并不实际落地处理,最奇怪的是别人问,假如redis挂了或者怎样,运营或者产品想要获取数据分析,我们该怎么办?

有一位博主仁兄回答是:“redis高可用、redis持久化、后台写一个查询缓存接口,这些你不会嘛?”,下面评价:博主是认真回答的嘛?来逗我们玩呢?我也是笑了笑.....

说一说建表记录的原因:

1、在大数据时代,任何有价值的信息都要收集起来,跟用户活跃度DAU相关的都是比较重要的

2、跟用户相关联的,产品营运必定会需要这些数据来分析用户行为,认为签到送礼带来的收益

3、不能过度的去依赖缓存,一旦缓存出问题或者崩盘,数据丢失都是一个大问题,用户的反馈投诉极具增加

4、用户存在质疑时,可以快速通过落地数据进行排查问题

5、缓存出现问题时,可以通过数据库的记录进行数据回源,保证数据一致

CREATE TABLE `mumu_sign_202105` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主键自增ID',
  `user_id` varchar(255) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '用户昵称',
  `sign_date` date NOT NULL DEFAULT '0000-00-00' COMMENT '签到时间',
  `create_at` int(10) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '创建时间',
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `uniq_uid_date` (`user_id`,`sign_date`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='用户信息基础表';

大家看到这个表名是不是很奇怪为啥带上_202105呢,主要是这里用了按月分表的原理,因为用户量大,尽可能的保证一张表的数据在500w一下,当然有的性能比较好1000以上优化之后速度也是杠杠的。

不过建议还是按月分表,每个月度结束之后,数据可以同步给hive、es、sphinx都可以,我们只需要保证半年内的表数据,其余可以用完删除即可。

所以每当我们设计表或者做一项功能,一定要考虑预估量以及为什么要这样做,能带来的效益是什么?这样你会变的越来越优秀,思维逻辑越来越缜密。

insert into `mumu_user` (`user_id`, `sign_date`,`create_at`) VALUES
('10001','2021-04-22', unix_timestamp()),
('10001','2021-04-24', unix_timestamp()),
('10001','2021-04-25', unix_timestamp()),
('10001','2021-04-26', unix_timestamp()),
('10001','2021-04-30', unix_timestamp());

那么下面我们开始代码逻辑梳理:

① 签到打卡系列
/**
 * @desc 签到
 * @param string $date
 * @return int
 */
public function signIn($date = '')
{
    //获取当月用户签到的缓存key
    $key = $this->getKey($date);

    // this->getCurrentDay 获取当日是本月的第几天并且减去1就是设置位图的下标
    return $this->redis->setBit($key, $this->getCurrentDay($date), 1);
}

require_once  './Bitmap.php'; //引入位图类

$user_id = 1001; //传入用户ID

$date = "2021-04-24"; //传入指定的签到日期

$bitmap = new Bitmap($user_id); //实例化位图类

echo $bitmap->signIn($date); //输出1

-- 终端操作
localhost:6379> SETBIT user:sign:1001:202104 23 1
(integer) 0

是不是看起来超级简单,无非就是使用setbit指令来给用户存储签到状态为1。记住这里写入缓存之前一定要先插入数据表保证数据库落地成功,聪明的你可能在表中看到了设置的唯一键,目的是保证一个用户每天的只有一次签到记录。

② 检测某一天是否已打卡
/**
 * @desc 判断用户在某一天是否签到
 * @param string $date
 * @return int
 */
public function judgeUserSign($date = '')
{
    $key = $this->getKey($date);

    return $this->redis->getBit($key, $this->getCurrentDay($date));
}

require_once  './Bitmap.php';

$user_id = 1001;

$date = "2021-04-24";

$bitmap = new Bitmap($user_id);

echo $bitmap->judgeUserSign($date);// 输出值为1

-- 终端操作
localhost:6379> GETBIT user:sign:1001:202104 23 //这里23是指位图下标,因为是从0开始,所以存储时减一操作了 变成了23
(integer) 1
localhost:6379> GETBIT user:sign:1001:202104 24 //这里实际查询的是4月25号是否签到
(integer) 0
③ 获取用户某月打卡记录列表
/**
 * @desc 获取用户本月签到的记录列表
 * @param string $date
 * @return mixed
 */
public function getUserAllSign($date = '')
{
    // 获取本月或者指定月的签到缓存key
    $key = $this->getKey($date);

    // 很遗憾 本地reddi并没有支持这个函数
    $result = $this->redis->bitField($key); // 正常这里应该返回的是数组 我这里使用不了 相当于模拟

    // 存储本月的签到结果集
    $list = [];

    // 获取指定月的月数
    $days = $this->getMonthDays($date);

    // 从低位到高位遍历,0表示未签到;1表示已签到
    for ($i = $days; $i > 0; $i--) {
        // 本月已经循环完直接退出
        if ($i < 0) break;
        // 定义当前的日期是多少
        $local_date = date('Y-m') . '-' . $i;

        // 右移再左移,如果不等于自己说明最低位是 1,表示已签到 
        $flag = ($result >> 1 << 1) != $result ? true : false;

         // 如果已签到,添加标记为1,否则为0
        $list[$local_date] = $flag ? 1 : 0;

         // 然后右移一位重新赋值计算
        $result >>= 1;
    }

    return $list;
}

require_once  './Bitmap.php';

$user_id = 1001;

$date = "2021-04-24";

$bitmap = new Bitmap($user_id);

$result = $bitmap->getUserAllSign($date);

var_dump($result);

//执行结果集
array(30) {
  ["2021-04-30"]=>
  int(0)
  ["2021-04-29"]=>
  int(0)
  ["2021-04-28"]=>
  int(0)
  ["2021-04-27"]=>
  int(0)
  ["2021-04-26"]=>
  int(0)
  ["2021-04-25"]=>
  int(0)
  ["2021-04-24"]=>
  int(1)
  ["2021-04-23"]=>
  int(0)
  ["2021-04-22"]=>
  int(0)
  ["2021-04-21"]=>
  int(0)
  ["2021-04-20"]=>
  int(0)
  ["2021-04-19"]=>
  int(0)
  ["2021-04-18"]=>
  int(0)
  ["2021-04-17"]=>
  int(0)
  ["2021-04-16"]=>
  int(0)
  ["2021-04-15"]=>
  int(0)
  ["2021-04-14"]=>
  int(0)
  ["2021-04-13"]=>
  int(0)
  ["2021-04-12"]=>
  int(0)
  ["2021-04-11"]=>
  int(0)
  ["2021-04-10"]=>
  int(0)
  ["2021-04-9"]=>
  int(0)
  ["2021-04-8"]=>
  int(0)
  ["2021-04-7"]=>
  int(0)
  ["2021-04-6"]=>
  int(0)
  ["2021-04-5"]=>
  int(0)
  ["2021-04-4"]=>
  int(0)
  ["2021-04-3"]=>
  int(0)
  ["2021-04-2"]=>
  int(0)
  ["2021-04-1"]=>
  int(0)
}
//我们再看下终端执行的结果
localhost:6379> BITFIELD user:sign:1001:202104 get u30 0
1) (integer) 64

注意2021-04-24这日期是我们上面设置签到了,返回的64这个是二进制数据:0100 0000 这样是不是就很清晰了,表示24号签到了

大家是不是有点疑问,为啥没有支持bitField指令,redis在3.2版本之后就新增了这个强大的指令bitfield。r如果没有这个指令的出现,估计上面的代码就要缓存通过管道命令批量获取几十天的数据了。但是有了它就完全不是一个概念,它一条命令就可以完成所有值获取。普及下bitfield命令:

官方文档:
BITFIELD key [GET type offset] [SET type offset value] [INCRBY type offset increment] [OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL] 意思是:中括号的意思是指支持它的子命令;get、set、incrby

时间复杂度:O(1)

举个例子解析:
bitfield key get u8 0 
1、key指我们需要操作的缓存key
2、get是bitfield的子命令 用来select
3、u8表示无符号数+30位整形位数(i8表示有符号数)
4、0表示返回指定的位偏移量

科普一下:所谓的无符号数是指非负数,没有符号位置,获取的位数组全部都是值;无符号数是指一个负数,获取到的值的第一位是符号位,剩下的才是可用的值。大家想了解的话,可以看看计算机组成原理在bibi就可以看的。

④ 获取用户当月打卡总数
/**
 * @Desc 获取用户当月打卡总数
 * @param string $date
 * @return int
 */
public function getSumSignCount($date = '')
{
    $key = $this->getKey($date);

    return $this->redis->bitCount($key);
}
$bitmap = new Bitmap($user_id);

$result = $bitmap->getSumSignCount($date);

var_dump($result); //结果输出1  因为我们4月份就打卡了一天

//终端执行
localhost:6379> BITCOUNT user:sign:1001:202104
(integer) 1
⑤ 获取用户连续签到次数
/**
 * @desc 获取用户连续签到的次数
 * @param string $date
 * @return int
 */
public function getContinuousSignCount($date = '')
{
    $key = $this->getKey($date);

    // 获取今天天数
    $days = $this->getCurrentDay($date);

    //// 获取用户从当前日期开始到 1 号的所有签到状态  不过很遗憾 本地reddi并没有支持这个函数
    $result = $this->redis->bitField($key, 'u' . $days, 0); // 正常这里应该返回的是数组

    // 连续签到计数器总数
    $signCount = 0;

    $value = isset($result[0]) ? $result[0] : 0;

    // 通过位移计算连续签到次数
    for ($i = $days; $i > 0; $i--) // i 表示位移操作次数
    {
        if ($i < 0) break; //超出则终止循环

        // 先右移再左移,如果等于自己说明最低位是 0,表示未签到
        if ($value >> 1 << 1 == $value) { //存在用户当天还未签到,所以要排除掉
            // 低位 0 且非当天说明连续签到中断了
            if ($i != $days) break;
        } else {
            // 如果不等于自己说明最低位是1,表示已经签到
            $signCount++;
        }

        // 右移一位并重新赋值,相当于把最低位丢弃一位然后重新计算
        $value >>= 1;
    }
    return $signCount;
}

$bitmap = new Bitmap($user_id);

$result = $bitmap->getContinuousSignCount($date);

var_dump($result); //执行结果 只有2次连续签到 后面我设置了 20号 24号签到了
//终端执行
localhost:6379> BITFIELD user:sign:1001:202104 get u25 0
1) (integer) 22

这个连续签到次数主要是考验大家对二进制的位运算的熟练程度,知道如何进行位运算,这样就能更好地知道签到如何使用。

科普下左移右移:

$a << $b (左移) 将 $a 中的位向左移动 $b 次(每一次移动都表示“乘以 2”);左移时右侧以零填充,符号位被移走意味着正负号不被保留。

$a >> $b (右移) 将 $a 中的位向右移动 $b 次(每一次移动都表示“除以 2”);右移时左侧以符号位填充,意味着正负号被保留。

⑥ 用户补签
/**
 * @desc 用户补签
 * @param string $date
 * @return bool|int
 */
public function rebuildSign($date = '')
{
    $key = $this->getKey($date);

    // 先检测当前用户这一天是否已经签到
    if ($this->judgeUserSign($date)) return false;

    return $this->signIn($date);
}
//这个就很简单了,大家可以自己操作一下

位图实战代码仓库地址:https://github.com/woshiamu/amu/tree/master/redis

最后总结

本文主要是通过实际的应用场景才讲解redis的位图使用。如何应用,如何实践,通过一个个的代码案例执行你就能更加了解位图到底是怎么回事。

位图是一个占用内存且能存储大量数据的一个字符串。给大家一个小小的建议,在看文章或者看书籍时,一定要看完之后动手实践,因为实践才是检验真理的唯一标准;如果还在使用set hash simember来做签到功能,可以尝试改换然后对比性能,也提高下我们的技术水准以及接口访问速度。

看完文章小伙伴们对位图的使用是否有进一步的了解?如果阿沐的文章感觉有帮助或者有不足之处,请在评论下面留言。

最后,欢迎关注我的个人公众号「我是阿沐」,会不定期的更新后端知识点和学习笔记。也欢迎直接公众号私信或者邮箱联系我,我们可以一起学习,一起进步。

好了,我是阿沐,一个不想30岁就被淘汰的打工人 ⛽️ ⛽️ ⛽️ 。

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