位图 - Hello Golang

Redis 位图（Bitmap）

Redis 位图（Bitmap）是一种特殊的数据结构，利用字符串的每个字节的位来存储二进制信息。位图通常用于表示大规模的布尔数据，如用户签到、事件记录、状态标记等。尽管 Redis 位图本质上是字符串的一种扩展，但它提供了一些特定的位操作命令。

场景示例

用户签到
- 示例：记录用户每天的签到状态。
```
SETBIT user:123:sign 1 1
SETBIT user:123:sign 2 1
GETBIT user:123:sign 1
GETBIT user:123:sign 2
```
- 说明：使用 SETBIT 设置签到状态，GETBIT 获取签到状态。位图的每个位代表某一天的签到状态。
活跃用户统计
- 示例：记录用户的活跃状态。
```
SETBIT active_users 1 1
SETBIT active_users 2 1
BITCOUNT active_users
```
- 说明：使用 SETBIT 设置用户活跃状态，BITCOUNT 统计活跃用户的数量。

权限管理

示例：使用位图表示用户权限。

SETBIT user:123:permissions 0 1  # 权限 0
SETBIT user:123:permissions 1 0  # 权限 1
BITFIELD user:123:permissions GET u8 0
BITFIELD user:123:permissions GET u8 1

说明：使用 SETBIT 设置权限，BITFIELD 获取权限信息。

防刷票系统
- 示例：防止用户重复投票。
```
SETBIT votes 12345 1  # 设置用户 ID 12345 的投票状态
GETBIT votes 12345
```
- 说明：使用 SETBIT 设置用户投票状态，GETBIT 检查用户是否已经投票。
监控标记
- 示例：记录机器的健康状态。
```
SETBIT machine_health 0 1  # 机器健康
SETBIT machine_health 1 0  # 机器故障
BITPOS machine_health 1
```
- 说明：使用 SETBIT 设置机器健康状态，BITPOS 查找第一个健康机器的位置。

底层实现

Redis 位图实际上是对字符串的位操作，底层利用了 Redis 字符串的字节存储。每个位图操作都通过对字符串字节的位进行读写来完成。

位图的内存布局
- 位图将数据存储在 Redis 字符串中，每个字节（8 位）代表一组布尔值。例如，一个长度为 1 的位图可以表示 8 个布尔值。
- 位图的内部数据结构（以字节为单位）如下：
```
typedef struct bitmap {
    unsigned char *bits;   // 位图的字节数组
    size_t length;         // 位图的长度（以位为单位）
} bitmap;
```

位图操作

SETBIT：设置指定偏移量的位为 1 或 0。

void setbit(bitmap *bm, size_t offset, int value) {
    size_t byteIndex = offset / 8;
    size_t bitIndex = offset % 8;
    if (value) {
        bm->bits[byteIndex] |= (1 << bitIndex);
    } else {
        bm->bits[byteIndex] &= ~(1 << bitIndex);
    }
}

GETBIT：获取指定偏移量的位的值。

int getbit(bitmap *bm, size_t offset) {
    size_t byteIndex = offset / 8;
    size_t bitIndex = offset % 8;
    return (bm->bits[byteIndex] >> bitIndex) & 1;
}

BITCOUNT：统计位图中位为 1 的数量。

size_t bitcount(bitmap *bm) {
    size_t count = 0;
    for (size_t i = 0; i < bm->length / 8; i++) {
        count += __builtin_popcount(bm->bits[i]);
    }
    return count;
}

BITPOS：查找位图中第一个为 1 的位的偏移量。

size_t bitpos(bitmap *bm, int value) {
    for (size_t i = 0; i < bm->length / 8; i++) {
        if (value == 1) {
            if (bm->bits[i] != 0) {
                return (i * 8) + __builtin_ctz(bm->bits[i]);
            }
        } else {
            if (bm->bits[i] != 0xFF) {
                return (i * 8) + __builtin_ctz(~bm->bits[i]);
            }
        }
    }
    return -1;
}

Redis 的位图操作具有高效的内存使用和性能表现，适合用于处理大规模的布尔数据。

Go 中使用 Redis 位图

在 Go 语言中，可以使用 go-redis 库来操作 Redis 位图。以下是一些基本操作示例。

连接 Redis

package main

import (
    "github.com/go-redis/redis/v8"
    "context"
    "fmt"
)

var ctx = context.Background()

func main() {
    rdb := redis.NewClient(&redis.Options{
        Addr:     "localhost:6379",
        Password: "", // no password set
        DB:       0,  // use default DB
    })

    // 示例代码调用
    example(rdb)
}

func example(rdb *redis.Client) {
    // 示例操作
}

设置位

func example(rdb *redis.Client) {
    err := rdb.SetBit(ctx, "bitmap", 10, 1).Err()
    if err != nil {
        panic(err)
    }
}

获取位

func example(rdb *redis.Client) {
    bit, err := rdb.GetBit(ctx, "bitmap", 10).Result()
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("Bit value:", bit)
}

统计位数

func example(rdb *redis.Client) {
    count, err := rdb.BitCount(ctx, "bitmap", nil).Result()
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("Bit count:", count)
}

查找位

func example(rdb *redis.Client) {
    pos, err := rdb.BitPos(ctx, "bitmap", 1, nil).Result()
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("First set bit position:", pos)
}

Redis 位图在处理布尔数据时具有高效的性能和内存利用率，适用于各种需要大规模布尔标记的场景。