在前一篇文章中,我们已经介绍过Redis的一些实际应用。如KV缓存、分布式锁、消息队列,由于篇幅原因,并未介绍完全。接下来将继续为各位带来Redis的更多应用。

bitmat(位图)

实现

位图的基本思想是使用一个bit来表示一个映射关系,这样就能大大减小内存的使用。如一个用户一周的签到情况可以用以下方式来实现。

如果不用位图,而用int 来实现的话,需要7个int的空间来存储,而使用位图后,一个int空间即可表示出用户一周的签到情况了。

常用指令

  1. setbit:设置位图值;
127.0.0.1:6379> setbit bitmapkey 2 1 # 指定数组位
(integer) 0 127.0.0.1:6379> setbit bitmapkeyk javamd # 不指定数组位
(integer) 0

Redis位数组是自动扩展的,如果设置了超出现有内容范围的位值,将会对位数组进行自动填充零的处理。

  1. getbit:获取位图值;
127.0.0.1:6379> getbit bitmapkey 2 # 指定数组位
(integer) 1 127.0.0.1:6379> getbit bitmapkeyk # 不指定数组位
"javamd"
  1. bitcount:位图统计;
127.0.0.1:6379> bitcount key 0 0 # 第一个字符串中1的位数
(integer) 1
  1. bitpos:位图查找;
127.0.0.1:6379> bitpos key 0 # 第一个0的位数
(integer) 3
127.0.0.1:6379> bitpos key 1 1 1 # 从第二个字符算起,第一个1位
(integer) 3
  1. bitfield:位图管道处理;bitfield有三个子指令,get、set、incrby,可以对指定位片段进行操作,单个指令最多只能处理64个连续位。

应用场景:用户签到、用户画像标签、大量整数排序等场景。

HyperLogLog

原理

  • 伯努利实验 :一次伯努利实验,抛硬币不管进行抛掷次数多少次,只要出现一个正面,就称之为为一次伯努利实验。伯努利实验存在一个关系:n = 2^(k_max) (n:伯努利实验次数,k_max: 抛掷次数最大的次数)。

  • 比特串:hash(key) = 比特串。通过取模、前m位比特值转化为十进制等方式,确定在哪个桶内。

  • 分桶:分桶是为了减少偶然误差性,可以理解为解决hash算法的hash冲突,分桶越多,误差越小。

Redis中HyperLogLog用了16384个桶,即2^ 14,每个桶的k_max需要6个bit来存储,最大可以表示maxbits=63,一个HyperLogLog总内存占用量为(2^14)*6/8 = 12KB。

常用指令

  1. pfadd:添加基数;
  2. pfcount:统计基础数量;
  3. pfmerge:合并pf基数,形成一个新的pf。

应用场景

Redis HyperLogLog 的应用有以下特点:

  • 如果基数不大或数据量不大就不太适用,会有点大材小用浪费空间;
  • 有一定局限性——只能统计基数数量,而没办法去知道具体的内容是什么;
  • 和bitmap相比,属于两种特定统计情况,简单来说,HyperLogLog 去重比 bitmap 方便很多;
  • 一般可以bitmap和HyperLogLog配合使用,bitmap标识哪些用户活跃,HyperLogLog计数。

使用场景有以下场景:

  • 统计注册 IP 数;
  • 统计每日访问 IP 数;
  • 统计页面实时 UV 数;
  • 统计在线用户数。

Bloom Filter (布隆过滤器)

Redis从4.0起,开始支持Boolm Filter这种高级数据结构。

实现

布隆过滤器实际上就是由一个大型位数组和几个不一样的的无偏hash函数组成。

添加key步骤:

  1. 添加key时,会用多个hash函数对key进行hash取值;
  2. 然后用数组长度对hash值进行取模运算,得到对应的位置,每个hash函数都会得到一个不一样的位置;
  3. 同时对相应位置进行置1操作,即完成add操作。

查询key是否存在时,与add操作一致,查询对应位是否为1即可。如果有一个不为1,则说明key不存在,如果都为1,则说明key可能存在。key可能存在是因为,受数组长度影响产生的hash冲突,导致key可能存在。

建议

  • 使用时不要让实际元素远大于初始化大小;
  • 当实际元素开始超出初始化大小时,应该重新分配一个 size 更大的过滤器。

应用场景

布隆过滤器可以用在以下场景:

  • 查询用户是否已经看过某条新闻;
  • 爬虫系统中,对URL进行去重操作;
  • 邮箱垃圾邮件过滤;
  • 防止缓存穿透(即一直在库里查询某个不存在的key,影响数据库性能)。

Geo

在地理位置中查询附近的点时,我们可以使用Redis的Geo模块来解决这一问题。

数据库查询附近的点

当两个地理坐标相差不是很远的情况下,我们可以使用勾股定理来计算元素间的距离。

通过数据库,当给定一个坐标,查询附近的其他地理点时,我们可以先选定指定一个半径范围,然后筛选出该半径范围内所有的坐标点,对坐标点与目标点进行勾股定理算距排序。

GeoHash算法

当高并发场景,数据库筛选的方法并不合适,这时我们可以使用Redis的Geo模块来解决这一问题。

算法实现:GeoHash算法,将地球表面看做一个平面,然后划分成等分的小方格(划分越小,坐标位置精度越高),将方格转换为二位数组来表示,如00,01,02…0n,10,11,12…1n,n0,n1,n2……nn。这样每一个坐标,都能用一个整数来表示,通过这个整数,就能还原出元素的坐标。GeoHash算法再将这个整数进行base32编码。

在Redis中,经纬度用52位整数进行编码,然后放入zset中。zset的value是元素id,score是52位整数值。通过zset的score排序,就可以得到指定坐标附近的其他元素。通过score即可将整数还原成具体的坐标值。

注意事项

在使用Redids 的Geo实现附近的人需要注意,由于该结构需要较大的内存,所以建议使用单独的Redis实例,不建议做主从复制。同时可以根据数据量按地理行政级别进行拆分。

限流

在Redis中,可以根据实际情况使用以下方式实现限流。

zset

对于系统限定某个用户的某个行为在一定时间内只能发生N次的情况,可以使用zset进行限流。

实现:将用户ID与动作key当做zset的key,使用时间戳,当zset的score,value保证唯一性即可。然后根据score圈定指定时间范围内的value,这样就能实现限定某个用户的某个行为在一定时间内只能发生N次的限流需求。

应用:zset限流可以用于以下情况:

  • 用户行为限流;
  • 数据推送频次限流。

Redis-Cell(漏斗限流)

Redis-Cell采用的是漏斗限流,漏斗容量是有限的,同时漏斗口大小是有限的,即有一个漏水速率。通过漏斗容量,漏斗速率,漏斗剩余空间,上一次漏水时间,我们就能实现一个完整的漏斗算法。Redis中初始化Redis-Cell方法如下:

# 限制用户在60秒时间内只能回复30次(漏水速率为30次/60S)
127.0.0.1:6379>cl.throttle keykey 15 30 60 1
1) (integer) 0 # 0 表示允许,1 表示拒绝
2) (integer) 15 # 漏斗容量
3) (integer) 14 # 漏斗剩余空间
4) (integer) -1 # 如果被拒绝了,需要多长时间再试
5) (integer) 2 # 多长时间后,漏斗能完全空出来

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