Redis位图实现用户签到功能

Posted 2022-08-27 androidstarjack

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背景

会员积分体系，实现前端按照日历进行签到。连续签到的7天及7天的倍数额外增加积分。可以获取之前连续签到的次数（理论上没有上限）

设计思路

如果存入到数据库中数据量巨大，且充斥很多无意义数据。了解到使用Redis的位图适合于大量存储布尔型的值。对于用户签到数据，如果每条数据都用K/V的方式存储，当用户量大的时候内存开销是非常大的。而位图(BitMap)是由一组bit位组成的，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位图，可以把它看作是一个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。
按用户每月存一条签到数据（也可以每年存一条数据）。Key的格式为u:sign:uid:yyyyMM，Value则采用长度为4个字节（32位）的位图（最大月份只有31天）。位图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:1000:201902表示ID=1000的用户在2019年2月的签到记录。

实现难点

使用递归去获取最大的连续签到次数，在递归到合适的值时，在从最里面的递归方法中跳出。使用抛异常的方式去返回值，在调用时使用try catch去捕获最里面递归抛出的值。

// 当代码中使用递归时碰到了想中途退出递归,但是代码继续执行的情况,抛出异常上层捕获,避免跳出递归获取的值不正确问题
      try 
        getSignCount(aid, signCount, offset, count, days);
       catch (Exception e) 
        signCount = Integer.valueOf(e.getMessage());
      

Redis的无符号数最大只能取63位，也就是一次最多只能取63天的签到数据，例如：

List<Long> list = jedis.bitfield(buildSignKey(aid, date), "GET", "u63", "0");

超出长度就会报错：ERR Invalid bitfield type. Use something like i16 u8. Note that u64 is not supported but i64 is.
递归使用上个月的拼接的key去获取上个月最大的天数，不断循环去获取最大的连续不中断的签到次数。

# 用户2月17号签到
SETBIT u:sign:1000:201902 16 1 # 偏移量是从0开始，所以要把17减1


# 检查2月17号是否签到
GETBIT u:sign:1000:201902 16 # 偏移量是从0开始，所以要把17减1


# 统计2月份的签到次数
BITCOUNT u:sign:1000:201902


# 获取2月份前28天的签到数据
BITFIELD u:sign:1000:201902 get u28 0


# 获取2月份首次签到的日期
BITPOS u:sign:1000:201902 1 # 返回的首次签到的偏移量，加上1即为当月的某一天

实例代码

maven依赖

<dependency>
            <groupId>cn.hutool</groupId>
            <artifactId>hutool-all</artifactId>
            <version>4.5.2</version>
        </dependency>


        <dependency>
            <groupId>redis.clients</groupId>
            <artifactId>jedis</artifactId>
            <version>3.1.0</version>
        </dependency>

public class JedisUtil 
  //Redis服务器IP
  private static String ADDR = "localhost";
  //Redis的端口号
  private static Integer PORT = 6379;
  //访问密码
  private static String AUTH = "123";
  //可用连接实例的最大数目，默认为8；
  //如果赋值为-1，则表示不限制，如果pool已经分配了maxActive个jedis实例，则此时pool的状态为exhausted(耗尽)
  private static Integer MAX_TOTAL = 1024;
  //控制一个pool最多有多少个状态为idle(空闲)的jedis实例，默认值是8
  private static Integer MAX_IDLE = 200;
  //等待可用连接的最大时间，单位是毫秒，默认值为-1，表示永不超时。
  //如果超过等待时间，则直接抛出JedisConnectionException
  private static Integer MAX_WAIT_MILLIS = 10000;
  private static Integer TIMEOUT = 10000;
  //在borrow(用)一个jedis实例时，是否提前进行validate(验证)操作；
  //如果为true，则得到的jedis实例均是可用的
  private static Boolean TEST_ON_BORROW = true;
  private  static JedisPool jedisPool = null;
  /**
   * 静态块，初始化Redis连接池
   */
  static 
    try 
      JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        /*注意：
            在高版本的jedis jar包，比如本版本2.9.0，JedisPoolConfig没有setMaxActive和setMaxWait属性了
            这是因为高版本中官方废弃了此方法，用以下两个属性替换。
            maxActive  ==>  maxTotal
            maxWait==>  maxWaitMillis
         */
      config.setMaxTotal(MAX_TOTAL);
      config.setMaxIdle(MAX_IDLE);
      config.setMaxWaitMillis(MAX_WAIT_MILLIS);
      config.setTestOnBorrow(TEST_ON_BORROW);


      jedisPool = new JedisPool(config,ADDR,PORT,TIMEOUT,AUTH);
     catch (Exception e) 
      e.printStackTrace();
    
  
  /**
   * 获取Jedis实例
   */
  public synchronized static Jedis getJedis()
    try 
      if(jedisPool != null)
        return jedisPool.getResource();
      else
        return null;
      
     catch (Exception e) 
      e.printStackTrace();
      return null;
    
  
  public static void returnResource(final Jedis jedis)
    //方法参数被声明为final，表示它是只读的。
    if(jedis!=null)
//      jedisPool.returnResource(jedis);
      //jedis.close()取代jedisPool.returnResource(jedis)方法将3.0版本开始
      jedis.close();
    
  

/**
 * @Date: Created in 13:55 2020/2/26
 * @Description: 基于Redis位图的用户签到功能实现类
 * * <p>
 * * 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
 */
@Service
public class SignInServiceIml implements SignInService 


    private Jedis jedis = JedisUtil.getJedis();


  /**
   * 用户签到
   *
   * @param aid  用户ID
   * @param date 日期
   * @return 之前的签到状态
   */
  @Override
  public boolean doSign(int aid, LocalDate date) 
    int offset = date.getDayOfMonth() - 1;
    return jedis.setbit(buildSignKey(aid, date), offset, true);
  


  /**
   * 检查用户是否签到
   *
   * @param aid  用户ID
   * @param date 日期
   * @return 当前的签到状态
   */
  @Override
  public boolean checkSign(int aid, LocalDate date) 
    int offset = date.getDayOfMonth() - 1;
    return jedis.getbit(buildSignKey(aid, date), offset);
  


  /**
   * 获取用户当月签到次数
   *
   * @param aid  用户ID
   * @param date 日期
   * @return 当月的签到次数
   */
  @Override
  public long getSignCount(int aid, LocalDate date) 
    return jedis.bitcount(buildSignKey(aid, date));
  


  /**
   * 获取无限连续签到次数
   *
   * @param aid  用户ID
   * @param date 日期
   * @return 无限连续签到次数
   */
  @Override
  public long getContinuousSignCount(int aid, LocalDate date) 
    int signCount = 0;


    String type = String.format("u%d", date.getDayOfMonth());
    List<Long> list = jedis.bitfield(buildSignKey(aid, date), "GET", type, "0");


    if (CollUtil.isNotEmpty(list)) 
      // 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.get(0) == null ? 0 : list.get(0);


      for (int i = 0; i < date.getDayOfMonth(); 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;
      
    


    int offset = -1;
    int count = 1;


    int daysOfMonth = getDaysOfMonth(DateUtil.offsetMonth(new Date(), offset));
    int days = date.getDayOfMonth() + daysOfMonth;


    if (signCount == date.getDayOfMonth()) 
      // 当代码中使用递归时碰到了想中途退出递归,但是代码继续执行的情况,抛出异常上层捕获,避免跳出递归获取的值不正确问题
      try 
        getSignCount(aid, signCount, offset, count, days);
       catch (Exception e) 
        signCount = Integer.valueOf(e.getMessage());
      
    
    return signCount;
  


  private int getSignCount(int aid, int signCount, int offset, int count, int days) throws Exception 
    // 上上个月
    DateTime dateTime1 = DateUtil.offsetMonth(new Date(), offset * count);


    // 获取上上个月的天数
    String lastDays = String.format("u%d", getDaysOfMonth(dateTime1));


    List<Long> lastList = jedis.bitfield(buildSignKey(aid, dateToLocalDate(dateTime1)), "GET", lastDays, "0");


    if (CollUtil.isNotEmpty(lastList)) 
      // 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 = lastList.get(0) == null ? 0 : lastList.get(0);


      for (int i = 0; i < getDaysOfMonth(dateTime1); 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;
      
      count += 1;
    
    // 如果连续签到次数小于了当前月天数+多个整月天数，证明连续签到中断
    if (signCount < days) 
      throw new Exception(String.valueOf(signCount));
    


    // 当前月总的天数+上个月的天数
    days = days + getDaysOfMonth(DateUtil.offsetMonth(new Date(), offset * (count - 1)));
    getSignCount(aid, signCount, offset, count, days);


    return signCount;
  


  /**
   * 获取当月首次签到日期
   *
   * @param aid  用户ID
   * @param date 日期
   * @return 首次签到日期
   */
  @Override
  public LocalDate getFirstSignDate(int aid, LocalDate date) 
    long pos = jedis.bitpos(buildSignKey(aid, date), true);
    return pos < 0 ? null : date.withDayOfMonth((int) (pos + 1));
  


  /**
   * 获取当月签到情况
   *
   * @param aid  用户ID
   * @param date 日期
   * @return Key为签到日期，Value为签到状态的Map
   */
  @Override
  public Map<String, Boolean> getSignInfo(int aid, LocalDate date) 
    Map<String, Boolean> signMap = new HashMap<>(date.getDayOfMonth());
    String type = String.format("u%d", date.lengthOfMonth());
    List<Long> list = jedis.bitfield(buildSignKey(aid, date), "GET", type, "0");


    if (CollUtil.isNotEmpty(list)) 
      // 由低位到高位，为0表示未签，为1表示已签
      long v = list.get(0) == null ? 0 : list.get(0);
      for (int i = date.lengthOfMonth(); i > 0; i--) 
        LocalDate d = date.withDayOfMonth(i);
        signMap.put(formatDate(d, "yyyy-MM-dd"), v >> 1 << 1 != v);
        v >>= 1;
      
    
    return signMap;
  


  /**
   * 构建指定类型的Redis的key：u:sign:10000:202001
   */
  private static String buildSignKey(int aid, LocalDate date) 
    return String.format("u:sign:%d:%s", aid, formatDate(date));
  


  /**
   * 获取Date类型的当月的天数
   */
  private static int getDaysOfMonth(Date date) 
    Calendar calendar = Calendar.getInstance();
    calendar.setTime(date);
    return calendar.getActualMaximum(Calendar.DAY_OF_MONTH);
  


  /**
   * 固定202001格式
   */
  private static String formatDate(LocalDate date) 
    return formatDate(date, "yyyyMM");
  


  /**
   * LocalDate按照指定格式进行转换字符串
   */
  private static String formatDate(LocalDate date, String pattern) 
    return date.format(DateTimeFormatter.ofPattern(pattern));
  


  /**
   * Date类型转换成LocalDate
   */
  private static LocalDate dateToLocalDate(Date date) 
    Instant instant = date.toInstant();
    ZoneId zoneId = ZoneId.systemDefault();
    LocalDateTime localDateTime = instant.atZone(zoneId).toLocalDateTime();


    return LocalDate.from(localDateTime);
  


  public static void main(String[] args) 
    SignInServiceIml demo = new SignInServiceIml();
    LocalDate today = LocalDate.now();
    // todo 测试连续签到，循环添加三个月签到记录  再去查询
//    DateTime dateTime1 = DateUtil.offsetDay(new Date(), -90);
//    LocalDate localDate = dateToLocalDate(dateTime1);
//
//    for (int i = 0; i < localDate.getDayOfMonth(); i++) 
//      DateTime dateTime2 = DateUtil.offsetDay(new Date(), -i-90);
//      LocalDate localDate1 = dateToLocalDate(dateTime2);
//
//      boolean signed = demo.doSign(1000, localDate1);
//      if (signed) 
//        System.out.println("您已签到：" + formatDate(localDate1, "yyyy-MM-dd"));
//       else 
//        System.out.println("签到完成：" + formatDate(localDate1, "yyyy-MM-dd"));
//      
//    


     // doSign
      boolean signed = demo.doSign(1000, today);
      if (signed) 
        System.out.println("您已签到：" + formatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
       else 
        System.out.println("签到完成：" + formatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
      
    


     // checkSign
      boolean signed = demo.checkSign(1000, today);
      if (signed) 
        System.out.println("您已签到：" + formatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
       else 
        System.out.println("尚未签到：" + formatDate(today, "yyyy-MM-dd"));
      
    


     // getSignCount
      long count = demo.getSignCount(1000, today);
      System.out.println("本月签到次数：" + count);
    


     // getContinuousSignCount
      long count = demo.getContinuousSignCount(1000, today);
      System.out.println("无限签到次数：" + count);
    


     // getFirstSignDate
      LocalDate date = demo.getFirstSignDate(1000, today);
      System.out.println("本月首次签到：" + formatDate(date, "yyyy-MM-dd"));
    


     // getSignInfo
      System.out.println("当月签到情况：");
      Map<String, Boolean> signInfo = new TreeMap<>(demo.getSignInfo(1000, today));
      for (Map.Entry<String, Boolean> entry : signInfo.entrySet()) 
        System.out.println(entry.getKey() + ": " + (entry.getValue() ? "√" : "-"));
      
    
  

public interface SignInService 


  boolean doSign(int aid, LocalDate date);


  boolean checkSign(int aid, LocalDate date);


  long getSignCount(int aid, LocalDate date);


  long getContinuousSignCount(int aid, LocalDate date);


  LocalDate getFirstSignDate(int aid, LocalDate date);


  Map<String, Boolean> getSignInfo(int aid, LocalDate date);

您已签到：2020-03-01
您已签到：2020-03-01
本月签到次数：1
无限签到次数：122
本月首次签到：2020-03-01
当月签到情况：
2020-03-01: √
2020-03-02: -
2020-03-03: -
2020-03-04: -
2020-03-05: -
2020-03-06: -
2020-03-07: -
2020-03-08: -
2020-03-09: -
2020-03-10: -
2020-03-11: -
2020-03-12: -
2020-03-13: -
2020-03-14: -
2020-03-15: -
2020-03-16: -
2020-03-17: -
2020-03-18: -
2020-03-19: -
2020-03-20: -
2020-03-21: -
2020-03-22: -
2020-03-23: -
2020-03-24: -
2020-03-25: -
2020-03-26: -
2020-03-27: -
2020-03-28: -
2020-03-29: -
2020-03-30: -
2020-03-31: -

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