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Redis基于Bitmap實(shí)現(xiàn)用戶簽到功能

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很多應(yīng)用上都有用戶簽到的功能,尤其是配合積分系統(tǒng)一起使用?,F(xiàn)在有以下需求:

  • 簽到1天得1積分,連續(xù)簽到2天得2積分,3天得3積分,3天以上均得3積分等。
  • 如果連續(xù)簽到中斷,則重置計(jì)數(shù),每月重置計(jì)數(shù)。
  • 顯示用戶某月的簽到次數(shù)和首次簽到時(shí)間。
  • 在日歷控件上展示用戶每月簽到,可以切換年月顯示。
  • ...

功能分析

對(duì)于用戶簽到數(shù)據(jù),如果直接采用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ),當(dāng)出現(xiàn)高并發(fā)訪問時(shí),對(duì)數(shù)據(jù)庫壓力會(huì)很大,例如雙十一簽到活動(dòng)。這時(shí)候應(yīng)該采用緩存,以減輕數(shù)據(jù)庫的壓力,Redis是高性能的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,適用于這樣的場(chǎng)景。

如果采用String類型保存,當(dāng)用戶數(shù)量大時(shí),內(nèi)存開銷就非常大。

如果采用集合類型保存,例如Set、Hash,查詢用戶某個(gè)范圍的數(shù)據(jù)時(shí),查詢效率又不高。

Redis提供的數(shù)據(jù)類型BitMap(位圖),每個(gè)bit位對(duì)應(yīng)0和1兩個(gè)狀態(tài)。雖然內(nèi)部還是采用String類型存儲(chǔ),但Redis提供了一些指令用于直接操作BitMap,可以把它看作一個(gè)bit數(shù)組,數(shù)組的下標(biāo)就是偏移量。

它的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)存開銷小,效率高且操作簡(jiǎn)單,很適合用于簽到這類場(chǎng)景。缺點(diǎn)在于位計(jì)算和位表示數(shù)值的局限。如果要用位來做業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)記錄,就不要在意value的值。

Redis提供了以下幾個(gè)指令用于操作BitMap:

命令 說明 可用版本 時(shí)間復(fù)雜度
SETBIT 對(duì) key 所儲(chǔ)存的字符串值,設(shè)置或清除指定偏移量上的位(bit)。 >= 2.2.0 O(1)
GETBIT 對(duì) key 所儲(chǔ)存的字符串值,獲取指定偏移量上的位(bit)。 >= 2.2.0 O(1)
BITCOUNT 計(jì)算給定字符串中,被設(shè)置為 1 的比特位的數(shù)量。 >= 2.6.0 O(N)
BITPOS 返回位圖中第一個(gè)值為 bit 的二進(jìn)制位的位置。 >= 2.8.7 O(N)
BITOP 對(duì)一個(gè)或多個(gè)保存二進(jìn)制位的字符串 key 進(jìn)行位元操作。 >= 2.6.0 O(N)
BITFIELD BITFIELD 命令可以在一次調(diào)用中同時(shí)對(duì)多個(gè)位范圍進(jìn)行操作。 >= 3.2.0 O(1)

考慮到每月要重置連續(xù)簽到次數(shù),最簡(jiǎn)單的方式是按用戶每月存一條簽到數(shù)據(jù)。Key的格式為 u:sign:{uid}:{yyyMM},而Value則采用長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)的(32位)的BitMap(最大月份只有31天)。BitMap的每一位代表一天的簽到,1表示已簽,0表示未簽。

例如 u:sign:1225:202101 表示ID=1225的用戶在2021年1月的簽到記錄

# 用戶1月6號(hào)簽到
SETBIT u:sign:1225:202101 5 1 # 偏移量是從0開始,所以要把6減1

# 檢查1月6號(hào)是否簽到
GETBIT u:sign:1225:202101 5 # 偏移量是從0開始,所以要把6減1

# 統(tǒng)計(jì)1月份的簽到次數(shù)
BITCOUNT u:sign:1225:202101

# 獲取1月份前31天的簽到數(shù)據(jù)
BITFIELD u:sign:1225:202101 get u31 0

# 獲取1月份首次簽到的日期
BITPOS u:sign:1225:202101 1 # 返回的首次簽到的偏移量,加上1即為當(dāng)月的某一天

示例代碼

using StackExchange.Redis;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;

/**
* 基于Redis Bitmap的用戶簽到功能實(shí)現(xiàn)類
* 
* 實(shí)現(xiàn)功能:
* 1. 用戶簽到
* 2. 檢查用戶是否簽到
* 3. 獲取當(dāng)月簽到次數(shù)
* 4. 獲取當(dāng)月連續(xù)簽到次數(shù)
* 5. 獲取當(dāng)月首次簽到日期
* 6. 獲取當(dāng)月簽到情況
*/
public class UserSignDemo
{
    private IDatabase _db;

    public UserSignDemo(IDatabase db)
    {
        _db = db;
    }

    /**
     * 用戶簽到
     *
     * @param uid  用戶ID
     * @param date 日期
     * @return 之前的簽到狀態(tài)
     */
    public bool DoSign(int uid, DateTime date)
    {
        int offset = date.Day - 1;
        return _db.StringSetBit(BuildSignKey(uid, date), offset, true);
    }

    /**
     * 檢查用戶是否簽到
     *
     * @param uid  用戶ID
     * @param date 日期
     * @return 當(dāng)前的簽到狀態(tài)
     */
    public bool CheckSign(int uid, DateTime date)
    {
        int offset = date.Day - 1;
        return _db.StringGetBit(BuildSignKey(uid, date), offset);
    }

    /**
     * 獲取用戶簽到次數(shù)
     *
     * @param uid  用戶ID
     * @param date 日期
     * @return 當(dāng)前的簽到次數(shù)
     */
    public long GetSignCount(int uid, DateTime date)
    {
        return _db.StringBitCount(BuildSignKey(uid, date));
    }

    /**
     * 獲取當(dāng)月連續(xù)簽到次數(shù)
     *
     * @param uid  用戶ID
     * @param date 日期
     * @return 當(dāng)月連續(xù)簽到次數(shù)
     */
    public long GetContinuousSignCount(int uid, DateTime date)
    {
        int signCount = 0;
        string type = $"u{date.Day}";   // 取1號(hào)到當(dāng)天的簽到狀態(tài)

        RedisResult result = _db.Execute("BITFIELD", (RedisKey)BuildSignKey(uid, date), "GET", type, 0);
        if (!result.IsNull)
        {
            var list = (long[])result;
            if (list.Length > 0)
            {
                // 取低位連續(xù)不為0的個(gè)數(shù)即為連續(xù)簽到次數(shù),需考慮當(dāng)天尚未簽到的情況
                long v = list[0];
                for (int i = 0; i  date.Day; i++)
                {
                    if (v >> 1  1 == v)
                    {
                        // 低位為0且非當(dāng)天說明連續(xù)簽到中斷了
                        if (i > 0) break;
                    }
                    else
                    {
                        signCount += 1;
                    }
                    v >>= 1;
                }
            }
        }
        return signCount;
    }

    /**
     * 獲取當(dāng)月首次簽到日期
     *
     * @param uid  用戶ID
     * @param date 日期
     * @return 首次簽到日期
     */
    public DateTime? GetFirstSignDate(int uid, DateTime date)
    {
        long pos = _db.StringBitPosition(BuildSignKey(uid, date), true);
        return pos  0 ? null : date.AddDays(date.Day - (int)(pos + 1));
    }

    /**
     * 獲取當(dāng)月簽到情況
     *
     * @param uid  用戶ID
     * @param date 日期
     * @return Key為簽到日期,Value為簽到狀態(tài)的Map
     */
    public Dictionarystring, bool> GetSignInfo(int uid, DateTime date)
    {
        Dictionarystring, bool> signMap = new Dictionarystring, bool>(date.Day);
        string type = $"u{GetDayOfMonth(date)}";
        RedisResult result = _db.Execute("BITFIELD", (RedisKey)BuildSignKey(uid, date), "GET", type, 0);
        if (!result.IsNull)
        {
            var list = (long[])result;
            if (list.Length > 0)
            {
                // 由低位到高位,為0表示未簽,為1表示已簽
                long v = list[0];
                for (int i = GetDayOfMonth(date); i > 0; i--)
                {
                    DateTime d = date.AddDays(i - date.Day);
                    signMap.Add(FormatDate(d, "yyyy-MM-dd"), v >> 1  1 != v);
                    v >>= 1;
                }
            }
        }
        return signMap;
    }

    private static string FormatDate(DateTime date)
    {
        return FormatDate(date, "yyyyMM");
    }

    private static string FormatDate(DateTime date, string pattern)
    {
        return date.ToString(pattern);
    }

    /**
     * 構(gòu)建簽到Key
     *
     * @param uid  用戶ID
     * @param date 日期
     * @return 簽到Key
     */
    private static string BuildSignKey(int uid, DateTime date)
    {
        return $"u:sign:{uid}:{FormatDate(date)}";
    }

    /**
     * 獲取月份天數(shù)
     *
     * @param date 日期
     * @return 天數(shù)
     */
    private static int GetDayOfMonth(DateTime date)
    {
        if (date.Month == 2)
        {
            return 28;
        }
        if (new int[] { 1, 3, 5, 7, 8, 10, 12 }.Contains(date.Month))
        {
            return 31;
        }
        return 30;
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        ConnectionMultiplexer connection = ConnectionMultiplexer.Connect("192.168.0.104:7001,password=123456");

        UserSignDemo demo = new UserSignDemo(connection.GetDatabase());
        DateTime today = DateTime.Now;
        int uid = 1225;

        { // doSign
            bool signed = demo.DoSign(uid, today);
            if (signed)
            {
                Console.WriteLine("您已簽到:" + FormatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("簽到完成:" + FormatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
            }
        }

        { // checkSign
            bool signed = demo.CheckSign(uid, today);
            if (signed)
            {
                Console.WriteLine("您已簽到:" + FormatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("尚未簽到:" + FormatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
            }
        }

        { // getSignCount
            long count = demo.GetSignCount(uid, today);
            Console.WriteLine("本月簽到次數(shù):" + count);
        }

        { // getContinuousSignCount
            long count = demo.GetContinuousSignCount(uid, today);
            Console.WriteLine("連續(xù)簽到次數(shù):" + count);
        }

        { // getFirstSignDate
            DateTime? date = demo.GetFirstSignDate(uid, today);
            if (date.HasValue)
            {
                Console.WriteLine("本月首次簽到:" + FormatDate(date.Value, "yyyy-MM-dd"));
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("本月首次簽到:無");
            }
        }

        { // getSignInfo
            Console.WriteLine("當(dāng)月簽到情況:");
            Dictionarystring, bool> signInfo = new Dictionarystring, bool>(demo.GetSignInfo(uid, today));
            foreach (var entry in signInfo)
            {
                Console.WriteLine(entry.Key + ": " + (entry.Value ? "√" : "-"));
            }
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果

 

更多應(yīng)用場(chǎng)景

  • 統(tǒng)計(jì)活躍用戶:把日期作為Key,把用戶ID作為offset,1表示當(dāng)日活躍,0表示當(dāng)日不活躍。還能使用位計(jì)算得到日活、月活、留存率等數(shù)據(jù)。
  • 用戶在線狀態(tài):跟統(tǒng)計(jì)活躍用戶一樣。

總結(jié)

  • 位圖優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)存開銷小,效率高且操作簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是位計(jì)算和位表示數(shù)值的局限。
  • 位圖適合二元狀態(tài)的場(chǎng)景,例如用戶簽到、在線狀態(tài)等場(chǎng)景。
  • String類型最大長(zhǎng)度為512M。 注意SETBIT時(shí)的偏移量,當(dāng)偏移量很大時(shí),可能會(huì)有較大耗時(shí)。 位圖不是絕對(duì)的好,有時(shí)可能更浪費(fèi)空間。
  • 如果位圖很大,建議分拆鍵。如果要使用BITOP,建議讀取到客戶端再進(jìn)行位計(jì)算。

參考資料

基于Redis位圖實(shí)現(xiàn)用戶簽到功能

Redis 深度歷險(xiǎn):核心原理與應(yīng)用實(shí)踐

Redis:Bitmap的setbit,getbit,bitcount,bitop等使用與應(yīng)用場(chǎng)景

BITFIELD SET command is not working

到此這篇關(guān)于Redis基于Bitmap實(shí)現(xiàn)用戶簽到功能的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Redis Bitmap用戶簽到內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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