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【redis】数据类型之Bitfields

article 2025/2/26 8:19:29

Redis的Bitfields（位域）与Bitmaps一样，在Redis中并不是一种独立的数据类型，而是一种基于字符串的数据结构，用于处理位级别的操作。允许用户将一个Redis字符串视作由一系列二进制位组成的数组，并对这些位进行高效的访问和操作。通过Bitfield，开发者可以将多个小的整数存储到一个较大的位图中，或者将一个庞大的键分割为多个较小的键进行存储，从而极大地提高了内存的使用效率。

基本概念

位域（Bitfield）：在Redis中，位域是一种特殊的数据结构，用于存储和操作二进制位数据。

字符串与位域：虽然Redis字符串是最基本的数据类型之一，支持丰富的操作，但在处理位级数据时，字符串的效率较低。相比之下，位域通过压缩存储多个小的整数或状态信息，极大地提高了内存的使用效率。

主要操作

bitfield是redis的一个命令，语法如下：
语法：

BITFIELD key [GET type offset] [SET type offset value] [INCRBY type offset increment] [OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL]

获取操作

语法：BITFIELD key [GET type offset]

功能：获取指定键的位域值。

参数：

key：要操作的Redis键。
GET：表示要从字符串值中读取位。
type：指定读取数据的类型（u表示无符号整数，i表示有符号整数）。
offset：位字段的起始偏移位置，从0开始计数。

使用：

127.0.0.1:6379> get mykey
"hello"

127.0.0.1:6379> bitfield mykey get u8 0
1) (integer) 104

127.0.0.1:6379> bitfield mykey get u8 8
1) (integer) 101

127.0.0.1:6379> bitfield mykey get u8 16
1) (integer) 108

127.0.0.1:6379> bitfield mykey get u8 24
1) (integer) 108

127.0.0.1:6379> bitfield mykey get u8 32
1) (integer) 111

可以使用bitfield获取到"hello"的每个字节的ascii码值。

设置操作

语法：BITFIELD key [SET type offset value]

功能：设置指定位域的值并返回其原值。

参数：

SET：表示要设置字符串值中的位。
type：指定读取数据的类型（u表示无符号整数，i表示有符号整数）。
offset：位字段的起始偏移位置，从0开始计数。
value：是要设置的值。

使用：

127.0.0.1:6379> bitfield mykey set u8 32 120
1) (integer) 111

127.0.0.1:6379> bitfield mykey get u8 32
1) (integer) 120

127.0.0.1:6379> get mykey
"hellx"

将hello中的o改为x。

自增操作

语法：BITFIELD key [INCRBY type offset increment]

功能：对指定位域的值进行自增操作。

参数：

key：要操作的Redis键。
INCRBY：表示自增。
type：指定读取数据的类型（u表示无符号整数，i表示有符号整数）。
offset：位字段的起始偏移位置，从0开始计数。
increment：是自增的数值。

使用：

127.0.0.1:6379> bitfield mykey incrby u8 32 2
1) (integer) 122

127.0.0.1:6379> bitfield mykey get u8 32
1) (integer) 122

127.0.0.1:6379> get mykey
"hellz"

将hellx中的x自增2，变为hellz。

溢出控制

Bitfield提供了三种溢出控制方式：

WRAP：使用回绕方法处理有符号整数和无符号整数的溢出情况。
SAT：使用饱和计算方法处理溢出，超过最大值再增加则数值不变。下溢计算的结果为最小的整数值，而上溢计算的结果为最大的整数值。
FAIL：命令将拒绝执行那些会导致上溢或者下溢情况出现的计算，并向用户返回空值表示计算未被执行。

WRAP方式示例：

127.0.0.1:6379> bitfield mykey set u8 32 122
1) (integer) 122

127.0.0.1:6379> bitfield mykey incrby i8 32 6
1) (integer) -128

127.0.0.1:6379> bitfield mykey set u8 32 122
1) (integer) 122

127.0.0.1:6379> bitfield mykey overflow wrap incrby i8 32 1
1) (integer) -128

默认使用的就是wrap方式，有符号整型最大值为127，所以122+6=128发生了溢出，使用回绕方式处理就变成了-128。

SAT方式示例：

127.0.0.1:6379> bitfield mykey set i8 32 122
1) (integer) 122

127.0.0.1:6379> bitfield mykey overflow sat incrby i8 32 6
1) (integer) 127

有符号整型最大值为127，所以122+6=128发生了溢出，使用SAT方式处理就变成了最大值127，注意overflow参数要放在前面。

FAIL方式示例：

127.0.0.1:6379> bitfield mykey set i8 32 122
1) (integer) 127

127.0.0.1:6379> bitfield mykey overflow fail incrby i8 32 6
1) (nil)

有符号整型最大值为127，所以122+6=128发生了溢出，使用FAIL方式处理就直接返回null。

应用场景

集合运算：使用位掩码来表示集合中的元素，可以高效地进行集合运算，如并集、交集和差集。例如，你可以使用一个整数的每一位来表示一个用户的兴趣标签，然后通过位运算来快速查询某个用户感兴趣的所有内容。

计数器：BitField可以用来实现高效的计数器，尤其是在需要对大量离散事件进行计数时。例如，你可以使用一个BitField来记录某个在线游戏中的玩家死亡次数，或者记录某个网站的访问次数。

状态压缩：对于需要存储大量状态信息的情况，使用BitField可以将状态信息压缩到更少的存储空间中。例如，你可以使用一个BitField来表示一个游戏中的多个游戏角色的状态，如是否在线、是否死亡等。

权限控制：BitField可以用于实现复杂的权限控制系统，通过位运算来快速检查用户是否具有某个权限。例如，你可以使用一个BitField来表示用户的权限集合，然后通过位运算来检查用户是否具有访问某个资源的权限。

空间优化：对于需要存储大量二进制数据的情况，使用BitField可以节省存储空间。例如，你可以使用一个BitField来表示一张图像的颜色信息，而不是使用完整的字节或整数来存储每个像素的颜色值。

网络协议优化：在网络通信中，使用BitField可以有效地压缩和传输数据。例如，你可以使用一个BitField来表示一个TCP数据包中的标志位，从而减少数据包的大小和提高传输效率。

需要注意的是，虽然BitField提供了高效的存储和操作位级数据的能力，但它也有一些限制和缺点，如不支持事务、不支持范围查询等。因此，在使用BitField时，需要根据具体的应用场景和需求来权衡其优缺点。

在Java中的使用

package com.morris.redis.demo.bitfields;

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RBitSet;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;

/**
 * redisson中bitfields的使用
 */
public class RedissonBitfieldsDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 配置Redisson客户端
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");

        // 创建Redisson客户端实例
        RedissonClient redisson = Redisson.create(config);

        // 表示用户的状态
        // 第0~15位：用户等级，共16位
        // 第16~47位：剩余积分，共32位
        // 第48位：是否VIP，1位布尔值
        RBitSet userStatus = redisson.getBitSet("user:status:10086");

        // 用户等级为5
        userStatus.setShort(0, (short) 5);
        // 用户剩余积分1100
        userStatus.setInteger(16, 1100);
        // 用户是VIP
        userStatus.setByte(48, (byte) 1);

        System.out.println(userStatus.getShort(0)); // 5
        System.out.println(userStatus.getInteger(16)); // 1100
        System.out.println(userStatus.getByte(48)); // 1

        int currentScore = userStatus.incrementAndGetInteger(16, 100);
        System.out.println(currentScore); // 1200

        redisson.shutdown();
    }
}