最近項目里需要集成簽到和統(tǒng)計功能，連續(xù)簽到后會給用戶發(fā)放一些優(yōu)惠券和獎品，以此來吸引用戶持續(xù)在該品臺進(jìn)行活躍。下面我們一些來聊一聊目前主流的實現(xiàn)方案。

因為簽到和統(tǒng)計的功能涉及的數(shù)據(jù)量比較大，所以在如此大的數(shù)據(jù)下利用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計算和統(tǒng)計是非常耗費性能的，所以目前市面上主要依賴于高性能緩存RedisBitMap 功能來實現(xiàn)。

先看看利用Mysql實現(xiàn)以上功能會有哪些缺陷和短板。

1.使用Mysql實現(xiàn)簽到功能

首先我們需要一個簽到表

DROP TABLE IF EXISTS `tb_sign`;
CREATE TABLE `tb_sign` (
  `id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主鍵',
  `user_id` int(11) NOT NULL COMMENT '用戶Id',
  `year` year(4) NOT NULL COMMENT '簽到的年',
  `month` tinyint(2) NOT NULL COMMENT '簽到的月',
  `date` date NOT NULL COMMENT '簽到日期',
  `is_backup` tinyint(1) NOT NULL COMMENT '是否補簽',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci;

用戶一次簽到，就是一條記錄，假如有1000萬用戶，平均每人每年簽到次數(shù)為10次，則這張表一年的數(shù)據(jù)量為 1億條

每簽到一次需要使用（8 + 8 + 1 + 1 + 3 + 1）共22 字節(jié)的內(nèi)存，一個月則最多需要600多字節(jié)

這樣的壞處，占用內(nèi)存太大了，極大的消耗內(nèi)存空間！

我們可以根據(jù) Redis中 提供的 BitMap 位圖功能來實現(xiàn)，每次簽到與未簽到用0 或1 來標(biāo)識 ，一次存31個數(shù)字，只用了2字節(jié) 這樣我們就用極小的空間實現(xiàn)了簽到功能

2.Redis BitMap

2.1 BitMap 的操作指令

• SETBIT ：向指定位置（offset）存入一個0或1
• GETBIT ：獲取指定位置（offset）的bit值
• BITCOUNT ：統(tǒng)計BitMap中值為1的bit位的數(shù)量
• BITFIELD ：操作（查詢、修改、自增）BitMap中bit數(shù)組中的指定位置（offset）的值
• BITFIELD_RO ：獲取BitMap中bit數(shù)組，并以十進(jìn)制形式返回
• BITOP ：將多個BitMap的結(jié)果做位運算（與 、或、異或）
• BITPOS ：查找bit數(shù)組中指定范圍內(nèi)第一個0或1出現(xiàn)的位置

2.2 使用 BitMap 完成功能實現(xiàn)

利用SETBIT新增key 進(jìn)行存儲

SETBIT bm1 0 1

看不懂上面的指令？沒關(guān)系，我們可以通過help指令查看提示

help SETBIT

通過這個指令可以看出Redis SETBIT 命令用于對 key 所儲存的字符串值，設(shè)置或清除指定偏移量上的位(bit)。位的設(shè)置或清除取決于 value，可以是 0 或者是 1 。

當(dāng) key 不存在時，自動生成一個新的字符串值。字符串會進(jìn)行伸展以確保它可以將 value 保存在指定的偏移量上。當(dāng)字符串值進(jìn)行伸展時，空白位置以 0 填充。 offset 參數(shù)必須大于或等于 0 ，小于 2^32 (bit 被限制在 512 MB 之內(nèi))。

提示：如果 offset 偏移量的值較大，計算機進(jìn)行內(nèi)存分配時可能會造成 Redis 服務(wù)器被阻塞。

這樣的話我們就可以通過偏移量設(shè)置每一天的簽到情況：

• 偏移量：表示天
• val值：表示是否簽到
  • 已簽到設(shè)置為1
  • 未簽到設(shè)置0

下面我們只需要通過GETBIT命令就可以查看每一天的簽到情況

GETBIT bm1 2

表示查看bm1用戶第二天的簽到情況

同樣，我們可以通過BITCOUNT可以統(tǒng)計出該用戶簽到了多少天

BITCOUNT bm1 

BITFIELD

通過BITFIELD以原子方式操作（查詢、修改、自增）BitMap中bit數(shù)組中的指定位置（offset）的值

BITFIELD復(fù)雜度是O（n），其中n是訪問的計數(shù)器數(shù)。

語法：

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

參數(shù)說明：

• key ：需要操作的鍵名。
• GET type offset ：獲取指定位數(shù)的值
• type表示數(shù)據(jù)類型，可以是無符號整數(shù)（u）或有符號整數(shù)（i）
• offset表示偏移量，如果位不存在，返回0。
• SET type offset value ：設(shè)置指定位數(shù)的值，type和offset同上，value表示需要設(shè)置的值，因為此命令只支持設(shè)置8位或更少的位，所以value不能超過8個二進(jìn)制位。
• INCRBY type offset increment ：將指定位的值增加指定的增量，type和offset同上，increment表示需要增加的值，也必須不超過8個二進(jìn)制位。
• OVERFLOW ：做溢出的處理，默認(rèn)是WRAP（循環(huán)），其他兩個選項是SAT（飽和，超出范圍的值都設(shè)置成最大或最小值）和FAIL（不允許溢出，會返回一個錯誤）。

使用方法

• 獲取一個整數(shù)的二進(jìn)制位

舉個例子，我們有一個整數(shù)值10，它的二進(jìn)制位是00001010，我們想獲取它的第3位到第5位的值，即001。那么可以這樣使用：

127.0.0.1:6379> BITFIELD myint GET u3 3 u1 6
1) (integer) 1
2) (integer) 0

u3：表示3位無符號整數(shù)

指定myint鍵值，通過GET命令獲取它的第3位到第5位，結(jié)果返回一個二進(jìn)制數(shù)001，也就是十進(jìn)制的1。第二個返回值是0，表示其他未指定的位都是0。

• 設(shè)置一個整數(shù)的二進(jìn)制位
  現(xiàn)在我們想把剛才的整數(shù)值10的第3位到第5位修改為101，即值為5?？梢赃@樣設(shè)置：

127.0.0.1:6379> BITFIELD myint SET u3 3 5
(integer) 10

執(zhí)行成功后，該鍵值指定的整數(shù)值變?yōu)?3（二進(jìn)制為00001101）。

所以統(tǒng)計每個用戶的簽到情況和積分，可以使用 Redis BITFIELD 命令記錄每個用戶每天的簽到情況。

每個用戶一年365天，需要使用整數(shù)類型的BITFIELD信息記錄，每個用戶需要365個二進(jìn)制位來表示簽到情況（已簽到為1，未簽到為0），再需要一個整數(shù)位去表示用戶的總積分，就可以方便地統(tǒng)計用戶簽到情況并進(jìn)行排名。

當(dāng)然該命令的功能遠(yuǎn)不止于此，在某些系統(tǒng)中，需要對某些數(shù)據(jù)做計數(shù)，比如對每個IP地址訪問次數(shù)的計數(shù)?？梢允褂米址愋偷挠嫈?shù)器來達(dá)到這個目的，首先在Redis中創(chuàng)建一個字符串類型的計數(shù)器（值為0），通過INCRBY命令執(zhí)行增減操作，每次給IP地址所代表的計數(shù)器加1，最后獲取到的長度即為IP地址對應(yīng)的訪問次數(shù)。如果訪問量過大，可以使用整數(shù)類型的BITFIELD存儲計數(shù)器，通過INCRBY命令執(zhí)行增減操作。這樣可以優(yōu)化性能并減少內(nèi)存占用。

BITPOS 查詢1 和 0 第一次出現(xiàn)的坐標(biāo)

3.SpringBoot整合Redis實現(xiàn)簽到功能

3.1 思路分析

考慮到每月初需要重置連續(xù)簽到次數(shù),我們可以把 年和月 作為BitMap的key，然后保存到一個BitMap中，每次簽到就到對應(yīng)的位上把數(shù)字從0 變?yōu)?，只要是1，就代表是這一天簽到了，反之咋沒有簽到。

key的格式為：“USER_SIGN_KEY:” + userId + keySuffix

• USER_SIGN_KEY：前綴
• userId：用戶id
• keySuffix：yyyyMM

Value則采用長度為4個字節(jié)（32位）的位圖（最大月份只有31天）。位圖的每一位代表一天的簽到，1表示已簽，0表示未簽。

例如：USER_SIGN_KEY:122101:202309：表示ID=122101的用戶在2023年9月的簽到記錄

# 用戶9月17號簽到
SETBIT USER_SIGN_KEY:122101:202309 16 1 # 偏移量是從0開始，所以要把17減1
# 檢查9月17號是否簽到
GETBIT USER_SIGN_KEY:122101:202309 16 # 偏移量是從0開始，所以要把17減1
# 統(tǒng)計9月份的簽到次數(shù)
BITCOUNT USER_SIGN_KEY:122101:202309
# 獲取9月份前30天的簽到數(shù)據(jù)，u30表示取0-29位的數(shù)據(jù)
BITFIELD USER_SIGN_KEY:122101:202309 get u30 0
# 獲取9月份首次簽到的日期
BITPOS USER_SIGN_KEY:122101:202309 1 # 返回的首次簽到的偏移量，加上1即為當(dāng)月的某一天

有了上面的理論支撐，下面我開始在項目里去集成，為了節(jié)約篇幅，只展示核心代碼，項目地址在文章末尾，完整代碼可下載之后自行觀看

首先需要我們項目里集成redis，可以參考：《springBoot集成redis(jedis)詳解》

3.2 簽到功能

簽到功能實現(xiàn)方式如下：

    @GetMapping("sign")
    public Object sign() {
        //1. 獲取登錄用戶
        Long userId = 122101L;
        //2.獲取簽到使用的key
        String key = RedisKeyUtils.createSignKey(userId);
        //3. 獲取今天是本月的第幾天設(shè)置偏移量
        LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
        int offset = now.getDayOfMonth() - 1;
        System.out.println(String.format("入?yún)ⅲ簁ey:%s，offset:%s", JSON.toJSONString(key), JSON.toJSONString(offset)));
        //5. 寫入redis setbit key offset 1
        Boolean res = jedis.setbit(key, offset, true);
        System.out.println(String.format("出參：%s", JSON.toJSONString(res)));
        return String.format("%s簽到成功，簽到結(jié)果：%s", JSON.toJSONString(now.format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyyMM"))), JSON.toJSONString(res));
    }

測試：

簽到功能我們已經(jīng)實現(xiàn)，只需要將對應(yīng)該月的某天設(shè)置為1則表示簽到成功

檢查用戶是否簽到

    @GetMapping("checkSign")
    public Object checkSign(@RequestParam(value = "sigDate") String sigDate) {
        //1. 獲取登錄用戶
        Long userId = 122101L;
        //2.獲取簽到使用的key
        LocalDateTime time = TimeUtils.str2LocalDateTime(TimeUtils.PATTERN.YYYYMMDD, sigDate);
        if (Objects.isNull(time)) {
            return false;
        }
        String key = RedisKeyUtils.createSignKey(time, userId);
        //3. 獲取今天是本月的第幾天設(shè)置偏移量
        int offset = time.getDayOfMonth() - 1;
        System.out.println(String.format("入?yún)ⅲ簁ey:%s，offset:%s", JSON.toJSONString(key), JSON.toJSONString(offset)));
        Boolean res = jedis.getbit(key, offset);
        System.out.println(String.format("出參：%s", JSON.toJSONString(res)));
        return res;
    }

訪問：http://127.0.0.1:8080/checkSign?sigDate=2023-09-07

下面我們繼續(xù)看看簽到統(tǒng)計功能

3.3 簽到統(tǒng)計功能

Q1：什么叫連續(xù)簽到天數(shù)？

從最后一次簽到開始向前統(tǒng)計，直到遇到第一次未簽到為止，計算總的簽到次數(shù)，就是連續(xù)簽到天數(shù)。

所以我們統(tǒng)計的方式很簡單：

?獲得當(dāng)前這個月的最后一次簽到數(shù)據(jù)，定義一個計數(shù)器，然后不停的向前統(tǒng)計，直到獲得第一個非0的數(shù)字即可，每得到一個非0的數(shù)字計數(shù)器+1，直到遍歷完所有的數(shù)據(jù)，就可以獲得當(dāng)前月的簽到總天數(shù)了?

Q2：如何得到本月到今天為止的所有簽到數(shù)據(jù)？

那我們則需要借助BITFIELD指令來進(jìn)行實現(xiàn)

BITFIELD key GET u[dayOfMonth-1] 0

假設(shè)今天是5號，那么我們就可以從當(dāng)前月的第一天開始，獲得到當(dāng)前這一天的位數(shù)，是5號，那么就是5位，去拿這段時間的數(shù)據(jù)，就能拿到所有的數(shù)據(jù)了，那么這5天里邊簽到了多少次呢？統(tǒng)計有多少個1即可。

Q3：如何從后向前遍歷每個Bit位？

值得我們注意的是：?bitMap返回的數(shù)據(jù)是10進(jìn)制，哪假如說返回一個數(shù)字8，那么我哪兒知道到底哪些是0，哪些是1呢？?

這是一道很簡單的位運算算法題

我們只需要讓得到的10進(jìn)制數(shù)字和1做與運算就可以了，因為1只有遇見1 才是1，其他數(shù)字都是0 ，我們把簽到結(jié)果和1進(jìn)行與操作，每與一次，就把簽到結(jié)果向右移動一位，依次類推，我們就能完成逐個遍歷的效果了。

通過上面的幾個方法就可以很容易統(tǒng)計用戶簽到的情況。

下面看看代碼的具體實現(xiàn)

• 獲取用戶連續(xù)簽到的天數(shù)

為了方便測試，我的當(dāng)前時間為：2023-09-07，所以我對1,3,5,6,7五天的簽到設(shè)置為1

那么當(dāng)前緩存里的值則為：1010111，對應(yīng)的10進(jìn)制數(shù)為：87，最大連續(xù)1出現(xiàn)的個數(shù)為3，所以簽到的天數(shù)為3

代碼如下：

    @GetMapping("signCount")
    public Object signCount() {
        //1. 獲取登錄用戶
        Long userId = 122101L;
        //2. 獲取日期
        LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
        //3. 拼接key
        String key = RedisKeyUtils.createSignKey(now, userId);
        //4. 獲取今天是本月的第幾天
        int offset = now.getDayOfMonth();
        //5. 獲取本月截至今天為止的所有的簽到記錄，返回的是一個十進(jìn)制的數(shù)字 BITFIELD USER_SIGN_KEY1:5:202309 GET u5 0
        String type = String.format("u%d", offset);
        System.out.println(String.format("入?yún)ⅲ簁ey:%s,operationType:%s,type:%s", JSON.toJSONString(key), JSON.toJSONString(RedisHelper.OPERATION_TYPE.GET.name()), JSON.toJSONString(type)));
        List<Long> result = RedisHelper.bitField(key, RedisHelper.OPERATION_TYPE.GET, type, "0");
        //沒有任務(wù)簽到結(jié)果
        if (result == null || result.isEmpty()) {
            return 0;
        }
        Long num = result.get(0);
        if (num == null || num == 0) {
            return 0;
        }
        //6. 循環(huán)遍歷
        int count = 0;
        while (true) {
            //6.1 讓這個數(shù)字與1 做與運算，得到數(shù)字的最后一個bit位 判斷這個數(shù)字是否為0
            if ((num & 1) == 0) {
                //如果為0，簽到結(jié)束
                break;
            } else {
                count++;
            }
            num >>>= 1;
        }
        System.out.println(String.format("緩存值：%s,簽到天數(shù)：%d", JSON.toJSONString(result), count));
        return count;
    }

測試：

3.4 獲取當(dāng)月首次簽到日期

利用Bitpos可以幫助我們輕松實現(xiàn)該功能

• bitpos USER_SIGN_KEY:122101:202309 1：表示1首次出現(xiàn)的位置
• bitpos USER_SIGN_KEY:122101:202309 0：表示0首次出現(xiàn)的位置

    @GetMapping("getFirstSignDate")
    public Object getFirstSignDate(@RequestParam(value = "time") String time) {
        //1. 獲取登錄用戶
        Long userId = 122101L;
        //2. 獲取日期
        LocalDateTime dateTime = TimeUtils.str2LocalDateTime(TimeUtils.PATTERN.YYYYMMDD, time);
        //3. 拼接key
        String key = RedisKeyUtils.createSignKey(dateTime, userId);
        //4. 獲取首次出現(xiàn)的位置索引
        long pos = jedis.bitpos(key, true);
        //5. 轉(zhuǎn)換為日期
        String res = pos < 0 ? "無簽到記錄" : TimeUtils.localDateTime2String(TimeUtils.PATTERN.YYYYMMDD, dateTime.withDayOfMonth((int) (pos + 1)));
        return res;
    }

3.5 獲取當(dāng)月的簽到情況

    @GetMapping("getSignInfo")
    public Object getSignInfo(@RequestParam(value = "time") String time) {
        //1. 獲取登錄用戶
        Long userId = 122101L;
        //2. 獲取日期
        LocalDateTime dateTime = TimeUtils.str2LocalDateTime(TimeUtils.PATTERN.YYYYMMDD, time);
        //當(dāng)月天數(shù)
        int monthOfDays = TimeUtils.getDayNumsOfMonth(dateTime);
        Map<String, Boolean> signMap = new HashMap<>(dateTime.getDayOfMonth());
        //3. 拼接key
        String key = RedisKeyUtils.createSignKey(dateTime, userId);
        //4. 設(shè)置位數(shù)
        String type = String.format("u%d", monthOfDays);
        System.out.println(String.format("入?yún)ⅲ簁ey:%s,operationType:%s,type:%s", JSON.toJSONString(key), JSON.toJSONString(RedisHelper.OPERATION_TYPE.GET.name()), JSON.toJSONString(type)));
        List<Long> list = RedisHelper.bitField(key, RedisHelper.OPERATION_TYPE.GET, type, "0");
        if (!CollectionUtils.isEmpty(list)) {
            Long num = list.get(0);
            int i = monthOfDays;
            while (i > 0) {
                String d = TimeUtils.localDateTime2String(TimeUtils.PATTERN.YYYYMMDD, dateTime.withDayOfMonth(i--));
                if ((num & 1) == 0) {
                    signMap.put(d, false);
                } else {
                    signMap.put(d, true);
                }
                num >>>= 1;
            }
        }
        //按照日期排序
        TreeMap sortedMap = new TreeMap(signMap);
        System.out.println("出參：" + JSON.toJSONString(sortedMap));
        return sortedMap;
    }

至此簽到所需要的功能我們就全部實現(xiàn)了

本文的核心在于bitMap的使用，但是任何技術(shù)都需要有具體的落地，所以借著簽到的場景帶著大家具體使用一下。

當(dāng)然bitmap的落地場景遠(yuǎn)不止我上文中介紹的簽到統(tǒng)計等業(yè)務(wù)層面的方案，針對緩存穿透的場景，bitMap也是一個極佳的選擇。

4.利用BitMap解決緩存穿透

描述： 緩存穿透是指緩存和數(shù)據(jù)庫中都沒有的數(shù)據(jù)，而用戶不斷發(fā)起請求，如發(fā)起為id為“-1”的數(shù)據(jù)或id為特別大不存在的數(shù)據(jù)。這時的用戶很可能是攻擊者，攻擊會導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫壓力過大。

這種可以認(rèn)為是系統(tǒng)漏洞，一旦發(fā)生這種情況一般都來自于惡意請求。

常見解決方案：

• 接口層增加校驗，如用戶鑒權(quán)校驗，id做基礎(chǔ)校驗，id<=0的直接攔截；
• 從緩存取不到的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中也沒有取到，這時也可以將key-value對寫為key-null，緩存有效時間可以設(shè)置短點，如30秒（設(shè)置太長會導(dǎo)致正常情況也沒法使用）。這樣可以防止攻擊用戶反復(fù)用同一個id暴力攻擊

第一種解決方案：遇到的問題是如果用戶訪問的是id不存在的數(shù)據(jù)，則此時就無法生效，如id遠(yuǎn)大于某個值，雖然不小于0，但是也無法進(jìn)行過濾。

第二種解決方案：遇到的問題是：如果是不同的id那就可以防止下次過來直擊數(shù)據(jù)

所以我們?nèi)绾谓鉀Q呢？

我們可以將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，所對應(yīng)的id寫入到一個list集合中，當(dāng)用戶過來訪問的時候，我們直接去判斷l(xiāng)ist中是否包含當(dāng)前的要查詢的數(shù)據(jù)，如果說用戶要查詢的id數(shù)據(jù)并不在list集合中，則直接返回，如果list中包含對應(yīng)查詢的id數(shù)據(jù)，則說明不是一次緩存穿透數(shù)據(jù)，則直接放行。

現(xiàn)在的問題是這個主鍵其實并沒有那么短，有的可能是通過各種拼接生成的Id,是很長的一個主鍵,所以如果采用以上方案，這個list也會很大，所以我們可以 使用bitmap來減少list的存儲空間

我們可以把list數(shù)據(jù)抽象成一個非常大的bitmap，我們不再使用list，而是將db中的id數(shù)據(jù)利用哈希思想，比如：

id 求余bitmap長度 ： index=id%bitmap.size

算出當(dāng)前這個id對應(yīng)應(yīng)該落在bitmap的哪個索引上，然后將這個值從0變成1，然后當(dāng)用戶來查詢數(shù)據(jù)時，此時已經(jīng)沒有了list，讓用戶用他查詢的id去用相同的哈希算法， 算出來當(dāng)前這個id應(yīng)當(dāng)落在bitmap的哪一位，然后判斷這一位是0，還是1，如果是0則表明這一位上的數(shù)據(jù)一定不存在，采用這種方式來處理，需要重點考慮一個事情，就是誤差率， 所謂的誤差率就是指當(dāng)發(fā)生哈希沖突的時候，產(chǎn)生的誤差 。

項目地址：https://gitee.com/ninesuntec/redisBitMapSign

到此這篇關(guān)于SpringBoot+Redis BitMap實現(xiàn)簽到與統(tǒng)計的項目實踐的文章就介紹到這了,更多相關(guān)SpringBoot+Redis BitMap簽到與統(tǒng)計內(nèi)容請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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