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Redis中的Bitmaps HyperLogLog Geospatial

时间：2020-08-21 00:57:02

Bitmaps

如何选择集合类型

判断用户登录状态

小结

HyperLogLog

什么是基数

应用场景

命令

Geospatial

如何实现定位

Geohash技术

geohash的计算

geohash的精度

geohash的边界问题

Redis对地理位置的支持

指令操作

Bitmaps

在移动应用的业务场景中，我们需要保存这样的信息：一个 key 关联了一个数据集合。

例如：
根据用户id判断登陆状态用户的签到情况

通常情况下，我们面临的用户数量以及访问量都是巨大的，比如百万、千万级别的用户数量，或者千万级别、甚至亿级别的访问信息。

所以，我们必须要选择能够非常高效地统计大量数据（例如亿级）的集合类型。

如何选择集合类型

假如我们在判断用户是否登陆的场景中使用 Redis 的 String 类型实现（key -> userId，value -> 0 表示下线，1 - 登陆），假如存储 100 万个用户的登陆状态，如果以字符串的形式存储，就需要存储 100 万个字符串了，内存开销太大。

String 类型除了记录实际数据以外，还需要额外的内存记录数据长度、空间使用等信息。所以除了记录实际数据以外，其他都是额外开销。

合理地使用操作位能够有效地提高内存使用率和开发效率。java中位与操作是最快的，在Redis中同样道理，Redis提供了Bitmaps这个“数据类型”可以实现对位的操作:

Bitmaps本身不是一种数据类型，实际上它就是字符串( key-value ),但是它可以对字符串的位进行操作。Bitmaps单独提供了一套命令，所以在Redis中使用Bitmaps和使用字符串的方法不太相同。可以把 Bitmaps想象成一个以位为单位的数组 ,数组的每个元只能存储0和1，数组的下标在Bitmaps中叫做偏移量。8 个 bit 组成一个 Byte，所以 Bitmap 会极大地节省存储空间。这就是 Bitmap 的优势。

判断用户登录状态

Bitmap 提供了GETBIT、SETBIT操作，通过一个偏移值 offset 对 bit 数组的 offset 位置的 bit 位进行读写操作，需要注意的是 offset 从 0 开始。

只需要一个 key为login表示存储用户登陆状态集合数据，将用户 ID 作为 offset，在线就设置为 1，下线设置 0。通过GETBIT判断对应的用户是否在线。50000 万用户只需要 6 MB 的空间。

setbit <key> <offset>设置对应KEY值的偏移量的值

第一步：1代表用户已经登陆

SETBIT login 10001 1

第二步：检查该用户是否登陆，返回值 1 表示已登录

GETBIT login 10001

第三步：退出，将 offset 对应的 value 设置成 0

SETBIT login 10001 0

小结

只需要一个 bit 位就能表示 0 和 1。在统计海量数据的时候将大大减少内存占用。

HyperLogLog

在工作当中,我们经常会遇到与统计相关的功能需求,比如统计网站PV( PageView页面访问量) ,可以使用Redis的incr、incrby 轻松实现。

但像UV ( UniqueVisitor ,独立访客)、独立IP数、搜索记录数等需要去重和计数的问题如何解决？这种求集合中不重复元素个数的问题称为基数问题。

解决技术问题的方案有很多种：
数据存储在MYSQL表中，使用distinct count计算不重复个数使用Redis提供的hash、set、bitmaps等数据结构来梳理
以上的方案结果精确，但随着数据不断增加，导致空间占用越来越大，对于非常大的数据集是不切实际的。

Redis HyperLogLog 是用来做基数统计的算法，HyperLogLog 的优点是，在输入元素的数量或者体积非常非常大时，计算基数所需的空间总是固定的、并且是很小的。

在 Redis 里面，每个 HyperLogLog 键只需要花费 12 KB 内存，就可以计算接近 2^64 个不同元素的基数。这和计算基数时，元素越多耗费内存就越多的集合形成鲜明对比。

但是，因为 HyperLogLog 只会根据输入元素来计算基数，而不会储存输入元素本身，所以 HyperLogLog 不能像集合那样，返回输入的各个元素。

什么是基数

比如数据集 {1, 3, 5, 7, 5, 7, 8}，那么这个数据集的基数集为 {1, 3, 5 ,7, 8}, 基数(不重复元素)为5。基数估计就是在误差可接受的范围内，快速计算基数。

应用场景

HyperLogLog 主要的应用场景就是进行基数统计。这个问题的应用场景其实是十分广泛的。例如：对于 Google 主页面而言，同一个账户可能会访问 Google 主页面多次。于是，在诸多的访问流水中，如何计算出 Google 主页面每天被多少个不同的账户访问过就是一个重要的问题。那么对于 Google 这种访问量巨大的网页而言，其实统计出有十亿的访问量或者十亿零十万的访问量其实是没有太多的区别的，因此，在这种业务场景下，为了节省成本，其实可以只计算出一个大概的值，而没有必要计算出精准的值。

对于上面的场景，可以使用HashMap、BitMap和HyperLogLog来解决。对于这三种解决方案，这边做下对比：

HashMap：算法简单，统计精度高，对于少量数据建议使用，但是对于大量的数据会占用很大内存空间；BitMap：位图算法，具体内容可以参考我的这篇文章，统计精度高，虽然内存占用要比HashMap少，但是对于大量数据还是会占用较大内存；HyperLogLog：存在一定误差，占用内存少，稳定占用 12k 左右内存，可以统计 2^64 个元素，对于上面举例的应用场景，建议使用。

命令

pfadd <key> <element> [element ...]添加指定元素到 HyperLogLog中，将所有元素添加到指定HyperLogLog数据结构中。如果执行命令后HLL估计的近似基数发生变化,则返回1，否则返回0。

pfcount<key> [key ..]计算HLL的近似基数,可以计算多个HLL ,比如用HLL存储每天的UV ,计算一周的UV可以使用7天的UV合并计算即可

pfmerge<destkey> <sourcekey> [sourcekey ..]将一个或多个HLL合并后的结果存储在另一个HLL中,比如每月活跃用户可以使用每天的活跃用户来给并计算可得

比如在网站中我们有两个内容差不多的页面，运营说需要这两个页面的数据进行合并。其中页面的 UV 访问量也需要合并，那这个时候PFMERGE就可以派上用场了，也就是同样的用户访问这两个页面则只算做一次。

Geospatial

Redis 3.2中增加了对GEO类型的支持。GEO , Geographic ,地理信息的缩写。该类型,就是元素的2维坐标,在地图上就是经纬度。redis基于该类型,提供了经纬度设置,查询,范围查询,距离查询,经纬度Hash等常见操作。

如何实现定位

说到定位，很多人第一反应应该是，实时上报经纬度，数据库中提前存储好所有的经纬度，然后用上报的经纬度和数据库中的经纬度进行比较，计算出附近的人或共享单车。这种做法需要循环遍历，数据库中的数据量大，查询慢，效率低。

那么，这些app是如何做到既能够精确定位，又能够实时查询的呢？答案就是使用geohash。redis的"数据类型"geospatial就能计算出geohash。redis使用geohash技术将实时上报的精度和纬度，通过一定的算法转化成最长12个字符的字符串，两个位置的经纬度计算的字符串的前缀越相同，则两个位置离得越近。这样一来就可以通过数据库的like加上geohash的前几位模糊查询数据库的数据了。比如ofo共享单车，数据库中用一张表t_bike专门存储ofo的每一辆车的编号no、经度longitude 、纬度latitude、geohash等字段，当每一辆车上报自己的经纬度时，同时计算一个geohash存到表中；当用户要用车时，上报用户的实时位置的经纬度，并计算一个hash值，比如hash=efgrtv98fjng，那么可以使用：

select * from t_bike where geohash like 'efgrtv98%'

就可以找到附近有多少车了。like后面使用的hash位数越多，查找的范围越准确。

Geohash技术

geohash技术就是将经纬度转换成最长12个字符的字符串，同时两个位置越近，生成的字符串的前缀越一致。这是如何实现的呢？

例如，东方明珠的经纬度，东经121.506377，北纬31.245105。

下面就以东方明珠为例，简单说一下如何将这两个经纬度计算成一个hash字符串的。

geohash的计算

1.使用二分法生成二进制

将纬度（-90,90）分成两个区间，（-90,0）和（0,90），如果目标纬度落在左边区间则记为0，否则记为1；再将目标纬度所在的那个区间在通过二分法分成两个相等的区间，如果目标纬度落在左边区间则记为0，否则记为1，以此类推。

同样的，将经度（-180,180）也通过这种方式计算。

最终，经度和纬度计算后，分别得到一个由0和1组成的二进制。

假如，东方明珠的经纬度计算后，得到两个二进制位：

经度：110101100101001110111100011010纬度：101011000101010000110101100101

2.合并二进制

将上面的两个二进制按照“偶数位放经度，奇数位放纬度”的原则，从0位开始数起，合并成一个二进制。

可以理解成将纬度向后移动一位，然后将两行压成一行。

结果： 111001100111100000110011000110101000111110110001011010011001

3.二进制转换成十进制

把上面合并后的60位二进制，按照从左往右，每5位划分成1个组，如果最后一组如果不足5位就用0补齐到5位。分组后所示：

分组结果： 11100 11001 11100 00011 00110 00110 10100 01111 10110 00101 10100 11001

将上面的每组二进制分别转成十进制：

十进制结果： 28 25 28 3 6 6 20 15 22 5 20 25

4.十进制转base32字符串

使用base32编码表，将每个十进制数替换成编码表中的字符，获得一个字符串。

转化后的字符串：

base32字符串：4Z4CGGUPWFUZ

这就是模拟东方明珠的经纬度生产的geohash的值（不是真实值）。

geohash的精度

hash的字符串长1位-12位，对应精度的级别1-12级。字符串越长，位置越精确。

geohash的边界问题

比如现在是y1，根据geohash算法定位到y1所在的矩形块，返回附近的点就会得到y2。但是我们发现实际情况是，x, z虽然不在我们所在的那个矩形区域，但是x, z显然离我们更近。这就是geohash的边界问题，就是如果我们刚好处在矩形的边界处，那么离我们最近的点不一定是和我们在同一个矩形框中的点，很可能是旁边的矩形框中的某些点离我们更近。

其实，就是将该区块上下左右以及四个对角的8个区块的hash都计算一遍，分别计算和自己之间的距离，找到最近的一个。因为这是的数据量已经非常小了，计算周边的8个块也很快。

Redis对地理位置的支持

可以通过编程的方式实现上面的计算过程，当然也可以直接使用redis计算geohash。

redis中的geospatial本质是使用sorted set存储的。使用的也是geohash技术。经度二进制和纬度二进制，通过上面介绍的“偶数位放经度，奇数位放纬度”的原则，形成一个独特的52位二进制。sorted set存储每一个成员时，会给每一个成员一个分数用于排序，分数值是一个双精度的64位浮点型数字字符串，它能包括的整数范围是-(2^53)到+(2^53)。所以使用sorted set存储52位的二进制不会丢失精度。同时，这种格式的数据通过半径查询时，支持查询中间的1个区块和周边的8个区块，并丢弃半径意外的元素，可以解决geohash的边界问题。

实际使用时，可以提前将一份各地区的经纬度表格，通过redis命令导入到redis内存中，然后可以通过相关的redis命令计算每个地区的geohash，并且可以搜索指定范围内，redis中存在的地区有哪些，同时也可以计算两个经纬度之间的距离。