Redis基于Bitmap实现用户签到功能

很多应用上都有用户签到的功能，尤其是配合积分系统一起使用。现在有以下需求：

• 签到1天得1积分，连续签到2天得2积分，3天得3积分，3天以上均得3积分等。
• 如果连续签到中断，则重置计数，每月重置计数。
• 显示用户某月的签到次数和首次签到时间。
• 在日历控件上展示用户每月签到，可以切换年月显示。
• ...

功能分析

对于用户签到数据，如果直接采用数据库存储，当出现高并发访问时，对数据库压力会很大，例如双十一签到活动。这时候应该采用缓存，以减轻数据库的压力，redis是高性能的内存数据库，适用于这样的场景。

如果采用string类型保存，当用户数量大时，内存开销就非常大。

如果采用集合类型保存，例如set、hash，查询用户某个范围的数据时，查询效率又不高。

redis提供的数据类型bitmap（位图），每个bit位对应0和1两个状态。虽然内部还是采用string类型存储，但redis提供了一些指令用于直接操作bitmap，可以把它看作一个bit数组，数组的下标就是偏移量。

它的优点是内存开销小，效率高且操作简单，很适合用于签到这类场景。缺点在于位计算和位表示数值的局限。如果要用位来做业务数据记录，就不要在意value的值。

redis提供了以下几个指令用于操作bitmap：

命令	说明	可用版本	时间复杂度
setbit	对 key 所储存的字符串值，设置或清除指定偏移量上的位(bit)。	>= 2.2.0	o(1)
getbit	对 key 所储存的字符串值，获取指定偏移量上的位(bit)。	>= 2.2.0	o(1)
bitcount	计算给定字符串中，被设置为 1 的比特位的数量。	>= 2.6.0	o(n)
bitpos	返回位图中第一个值为 bit 的二进制位的位置。	>= 2.8.7	o(n)
bitop	对一个或多个保存二进制位的字符串 key 进行位元操作。	>= 2.6.0	o(n)
bitfield	bitfield 命令可以在一次调用中同时对多个位范围进行操作。	>= 3.2.0	o(1)

考虑到每月要重置连续签到次数，最简单的方式是按用户每月存一条签到数据。key的格式为 u:sign:{uid}:{yyymm}，而value则采用长度为4个字节的（32位）的bitmap（最大月份只有31天）。bitmap的每一位代表一天的签到，1表示已签，0表示未签。

例如 u:sign:1225:202101 表示id=1225的用户在2021年1月的签到记录

# 用户1月6号签到
setbit u:sign:1225:202101 5 1 # 偏移量是从0开始，所以要把6减1

# 检查1月6号是否签到
getbit u:sign:1225:202101 5 # 偏移量是从0开始，所以要把6减1

# 统计1月份的签到次数
bitcount u:sign:1225:202101

# 获取1月份前31天的签到数据
bitfield u:sign:1225:202101 get u31 0

# 获取1月份首次签到的日期
bitpos u:sign:1225:202101 1 # 返回的首次签到的偏移量，加上1即为当月的某一天

示例代码

using stackexchange.redis;
using system;
using system.collections.generic;
using system.linq;

/**
* 基于redis bitmap的用户签到功能实现类
* 
* 实现功能：
* 1. 用户签到
* 2. 检查用户是否签到
* 3. 获取当月签到次数
* 4. 获取当月连续签到次数
* 5. 获取当月首次签到日期
* 6. 获取当月签到情况
*/
public class usersigndemo
{
    private idatabase _db;

    public usersigndemo(idatabase db)
    {
        _db = db;
    }

    /**
     * 用户签到
     *
     * @param uid  用户id
     * @param date 日期
     * @return 之前的签到状态
     */
    public bool dosign(int uid, datetime date)
    {
        int offset = date.day - 1;
        return _db.stringsetbit(buildsignkey(uid, date), offset, true);
    }

    /**
     * 检查用户是否签到
     *
     * @param uid  用户id
     * @param date 日期
     * @return 当前的签到状态
     */
    public bool checksign(int uid, datetime date)
    {
        int offset = date.day - 1;
        return _db.stringgetbit(buildsignkey(uid, date), offset);
    }

    /**
     * 获取用户签到次数
     *
     * @param uid  用户id
     * @param date 日期
     * @return 当前的签到次数
     */
    public long getsigncount(int uid, datetime date)
    {
        return _db.stringbitcount(buildsignkey(uid, date));
    }

    /**
     * 获取当月连续签到次数
     *
     * @param uid  用户id
     * @param date 日期
     * @return 当月连续签到次数
     */
    public long getcontinuoussigncount(int uid, datetime date)
    {
        int signcount = 0;
        string type = $"u{date.day}";   // 取1号到当天的签到状态

        redisresult result = _db.execute("bitfield", (rediskey)buildsignkey(uid, date), "get", type, 0);
        if (!result.isnull)
        {
            var list = (long[])result;
            if (list.length > 0)
            {
                // 取低位连续不为0的个数即为连续签到次数，需考虑当天尚未签到的情况
                long v = list[0];
                for (int i = 0; i < date.day; i++)
                {
                    if (v >> 1 << 1 == v)
                    {
                        // 低位为0且非当天说明连续签到中断了
                        if (i > 0) break;
                    }
                    else
                    {
                        signcount += 1;
                    }
                    v >>= 1;
                }
            }
        }
        return signcount;
    }

    /**
     * 获取当月首次签到日期
     *
     * @param uid  用户id
     * @param date 日期
     * @return 首次签到日期
     */
    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));
    }

    /**
     * 获取当月签到情况
     *
     * @param uid  用户id
     * @param date 日期
     * @return key为签到日期，value为签到状态的map
     */
    public dictionary<string, bool> getsigninfo(int uid, datetime date)
    {
        dictionary<string, bool> signmap = new dictionary<string, 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，为0表示未签，为1表示已签
                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);
    }

    /**
     * 构建签到key
     *
     * @param uid  用户id
     * @param date 日期
     * @return 签到key
     */
    private static string buildsignkey(int uid, datetime date)
    {
        return $"u:sign:{uid}:{formatdate(date)}";
    }

    /**
     * 获取月份天数
     *
     * @param date 日期
     * @return 天数
     */
    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("您已签到：" + formatdate(today, "yyyy-mm-dd"));
            }
            else
            {
                console.writeline("签到完成：" + formatdate(today, "yyyy-mm-dd"));
            }
        }

        { // checksign
            bool signed = demo.checksign(uid, today);
            if (signed)
            {
                console.writeline("您已签到：" + formatdate(today, "yyyy-mm-dd"));
            }
            else
            {
                console.writeline("尚未签到：" + formatdate(today, "yyyy-mm-dd"));
            }
        }

        { // getsigncount
            long count = demo.getsigncount(uid, today);
            console.writeline("本月签到次数：" + count);
        }

        { // getcontinuoussigncount
            long count = demo.getcontinuoussigncount(uid, today);
            console.writeline("连续签到次数：" + count);
        }

        { // getfirstsigndate
            datetime? date = demo.getfirstsigndate(uid, today);
            if (date.hasvalue)
            {
                console.writeline("本月首次签到：" + formatdate(date.value, "yyyy-mm-dd"));
            }
            else
            {
                console.writeline("本月首次签到：无");
            }
        }

        { // getsigninfo
            console.writeline("当月签到情况：");
            dictionary<string, bool> signinfo = new dictionary<string, bool>(demo.getsigninfo(uid, today));
            foreach (var entry in signinfo)
            {
                console.writeline(entry.key + ": " + (entry.value ? "√" : "-"));
            }
        }
    }
}

运行结果

 

更多应用场景

• 统计活跃用户：把日期作为key，把用户id作为offset，1表示当日活跃，0表示当日不活跃。还能使用位计算得到日活、月活、留存率等数据。
• 用户在线状态：跟统计活跃用户一样。

总结

• 位图优点是内存开销小，效率高且操作简单；缺点是位计算和位表示数值的局限。
• 位图适合二元状态的场景，例如用户签到、在线状态等场景。
• string类型最大长度为512m。 注意setbit时的偏移量，当偏移量很大时，可能会有较大耗时。 位图不是绝对的好，有时可能更浪费空间。
• 如果位图很大，建议分拆键。如果要使用bitop，建议读取到客户端再进行位计算。

参考资料

基于redis位图实现用户签到功能

redis 深度历险：核心原理与应用实践

redis：bitmap的setbit,getbit,bitcount,bitop等使用与应用场景

bitfield set command is not working

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