Redis10億數據量只需要100MB內存，為什么這么牛？
本文主要和大家分享一下redis的高級特性：bit位操作。
力求讓大家徹底學會使用redis的bit位操作并掌握其底層實現原理！主要包含以下內容：
- redis位操作命令示例
- 底層數據結構分析
- 為什么他的算法時間復雜度是O(1)?
- 10億數據量需要多大的存儲空間？
- redis位操作適合哪些應用場景？
本文redis試驗代碼基于如下環境：
操作系統：Mac OS 64位
版本：Redis 5.0.7 64 bit
運行模式：standalone mode
redis位操作
reids位操作也叫位數組操作、bitmap，它提供了SETBIT、GETBIT、BITCOUNT、BITTOP四個命令用于操作二進制位數組。
先來看一波基本操作示例
SETBIT
語法：SETBIT key offset value
即：命令 key 偏移量 0/1
setbit命令用于寫入位數組指定偏移量的二進制位設置值，偏移量從0開始計數，且只允許寫入1或者0，如果寫入非0和1的值則寫入失敗：
GETBIT
語法：GETBIT key offset
即：命令 key 偏移量
gitbit命令用于獲取位數組指定偏移量上的二進制值：
BITCOUNT
語法：BITCOUNT key
即：命令 key
bitcount命令用于獲取指定key的位數組中值為1的二進制位的數量，之前我們寫入了偏移量0的值為1，偏移量10 的值為1，偏移量8的值為0：
BITOP
語法：BITOP operation destkey key [key...]
即：命令 操作 結果目標key key1 key2 ...
bitop命令可以對多個位數組的key進行and（按位與）、or（按位或）、xor（按位異或）運算，并將運算結果設置到destkey中：
底層數據結構分析
SDS是redis中的一種數據結構，叫做簡單動態字符串（Simple Dynamic String），并且它是一種二進制安全的，在大多數的情況下redis中的字符串都用SDS來存儲。
SDS的數據結構：
- struct sdshdr {
- #記錄buff數組中已使用字節的數量
- #也是SDS所保存字符串的長度
- int len;
- #記錄buff數組中未使用字節的數量
- int free;
- #字節數組，字符串就存儲在這個數組里
- char buff[];
- }
數據存儲示例：
圖片來源《redis設計與實現》
SDS的優點：
- 時間復雜度為O(1)
- 杜絕緩沖區溢出
- 減少修改字符串長度時候所需的內存重分配次數
- 二進制安全的API操作
- 兼容部分C字符串函數
關于SDS的詳細介紹請大家參閱《redis設計與實現》一文。
redis中的位數組采用的是String字符串數據格式來存儲，而字符串對象使用的正是上文說的SDS簡單動態字符串數據結構。
圖片來源《redis設計與實現》
大家都知道的是一個字節用的是8個二進制位來存儲的，也就是8個0或者1，即一個字節可以存儲十進制0~127的數字，也即包含了所有的數字、英文大小寫字母以及標點符號。
1Byte=8bit
1KB=1024Byte
1MB=1024KB
1GB=1024MB
位數組在redis存儲世界里，每一個字節也是8位，初始都是：
- 0 0 0 0 0 0 0 0
而位操作就是在對應的offset偏移量上設置0或者1，比如將第3位設置為1，即：
- 0 0 0 0 1 0 0 0
- #對應redis操作即：
- setbit key 3 1
在此基礎上，如果要在偏移量為13的位置設置1，即：
- setbit key 13 1
- #對應redis中的存儲為：
- 0 0 1 0 | 0 0 0 0 | 0 0 0 0 | 1 0 0 0
時間復雜度
GETBIT命令時間復雜度O(1)
STEBIT命令時間復雜度O(1)
BITCOUNT命令時間復雜度O(n)
BITOP命令時間復雜度O(n)、O(n2)
我們來看GETBIT以及SETBIT命令的時間復雜度為什么是O(1)，當我們執行一個SETBIT key 10086 1的值的時候，reids的計算方式如下：
獲取到要寫入位數組中的哪個字節：10086÷8=1260，需要寫入到位數組的下標1260的字節
獲取要寫入到這個字節的第幾位：10086 mod 8 = 6，需要寫入到這個字節的下標為6即第7位上去。
通過這兩種計算方式大家可以清晰的看到，位操作的GETBIT和SETBIT都是常量計算，因此它的時間復雜度為O(1)。
而BITCOUNT命令需要對整個位數組的所有元素進行遍歷算出值為1的有多少個，當然redis對于大數據了的bit執行bitcount命令會有一整套復雜的優化的算法，但是核心思路還是這個意思，無非是減少部分遍歷查詢次數。比如以128位為一次遍歷，那么他的遍歷次數就是所有的位數除以128。
BITTOP命令則是根據不同的操作有不同的執行方式。比如AND操作，則需要查看位值為1的即可。
存儲空間計算
根據上面的介紹，相信大家已經知道了基于redis的位數組數據結構存儲的數據占用內存大小是怎么計算的了。比如有100億的數據，那么它需要的字節數組：
1000000000÷8÷1024÷1024≈119.21MB
也就是存儲10億的數據只需要119MB左右的內存空間，這對于現在動輒16G、32G集群版的redis，完全沒有問題。
需要注意的是，如果你的數據量不大，那就不要把起始偏移量搞的很大，這樣也是占空間的，比如我們只需要存儲幾百條數據，但是其中的偏移量卻很大，這就會造成了很大的內存空間浪費。
應用場景
實際項目開發中有很多業務都適合采用redis的bit來實現。
用戶簽到場景
每天的日期字符串作為一個key，用戶Id作為offset，統計每天用戶的簽到情況，總的用戶簽到數
活躍用戶數統計
用戶日活、月活、留存率等均可以用redis位數組來存儲，還是以每天的日期作為key，用戶活躍了就寫入offset為用戶id的位值1。
同理月活也是如此。
用戶是否在線以及總在線人數統計
同樣是使用一個位數組，用戶的id映射偏移量，在線標識為1，下線標識為0。即可實現用戶上下線查詢和總在線人數的統計
APP內用戶的全局消息提示小紅點
現在大多數的APP里都有站內信的功能，當有消息的時候，則提示一個小紅點，代表用戶有新的消息。
