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本文导读

大Bitmap初始化

更新时间:2025-01-24 GMT+08:00

Bitmap,即位图类型,开源Redis直接使⽤STRING类型表达,因此可能会产⽣超⼤的STRING数据,进⽽在某些场景下出现⼤KEY的性能问题。GeminiDB Redis的Bitmap类型采⽤的是特殊编码的格式,内部采⽤分片算法,可以规避产⽣⼀个超⼤的STRING数据,并且可以⽀持更⾼效的随机位数的插入和删除操作。

但是,实际应⽤场景中,我们可能会从其它地⽅获取⼀个超⼤的Bitmap数据,⽽这些数据通常会⽤STRING类型来表达。 对于⼀个超⼤的Bitmap数据,例如 64 MB,如果直接使⽤ SET 命令插入GeminiDB Redis,会执⾏较⻓时间,并且对其它正常访问产⽣⼲扰,造成时延抖动。 因此我们提供了⼀套平滑的插入⽅案,其原理是,对于超⼤的初始数据,我们先将其拆分为较⼩的字串(例如1MB),然后⾸次插入仍然采⽤SET命令,然后通过⼀个GETBIT的只读命令将其转化为Bitmap类型,后续的字串,通过APPEND命令进⾏插入即可。

注意事项

  • 该功能需升级到特定版本,您可以在管理控制台右上角,选择“工单 > 新建工单”提工单联系客服咨询实例版本是否支持该功能。
  • 由于APPEND命令对顺序有要求,因此整个流程要避免出现APPEND乱序(并发APPEND的场景)。
  • 可以使⽤PIPELINE模式加速,PIPELINE本⾝也是保证执⾏顺序的,因此不会有乱序的问题。
  • 拆分的粒度可以根据实际情况选择,拆的越细,产生的时延毛刺就越小,但是初始化时间就越长,通常建议256KB-1MB左右的值。

代码参考

  • C++
    #include <string>
    #include <vector>
    
    #include "hiredis/hiredis.h"
    constexpr std::size_t kBitmapSubSize = 1024 * 1024;  // 1 MB
    void SmoothInitBitmap(std::string bitmap) {
     // Split bitmap
     std::vector<std::string> sub_bitmaps;
     std::size_t pos = 0;
     while (pos < bitmap.size()) {
       sub_bitmaps.emplace_back(bitmap.substr(pos, kBitmapSubSize));
       pos += kBitmapSubSize;
    }
     std::string key = "BITMAP_KEY";
     // Connect to redis
     redisContext* redis = redisConnect("127.0.0.1", 6666);
     redisReply* reply = nullptr;
     // First part use 'SET' command
     reply = (redisReply*)redisCommand(redis, "SET %b %b", key.data(), key.size(), sub_bitmaps[0].data(), sub_bitmaps[0].size());
     freeReplyObject(reply);
     // Use 'GETBIT' to transform to bitmap format
     reply = (redisReply*)redisCommand(redis, "GETBIT %b 0", key.data(), key.size());
     freeReplyObject(reply);
     // Use 'APPEND' for remaining bitmap data
     for (auto i = 1u; i < sub_bitmaps.size(); ++i) {
       reply = (redisReply*)redisCommand(redis, "APPEND %b %b", key.data(), key.size(), sub_bitmaps[i].data(), sub_bitmaps[i].size());
       freeReplyObject(reply);
    }
    }
    int main() {
     std::string bitmap ="123457890abcdef123457890abcdef123457890abcdef123457890abcdef123457890abcdef123456";
     SmoothInitBitmap(bitmap);
    }
  • JAVA(Jedis)
    package nosql.cloud.huawei.jedis;
    
    import redis.clients.jedis.Jedis;
    
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.util.BitSet;
    
    public class BitMapOperation {
       private Jedis jedis;
    
       public BitMapOperation(Jedis jedis) {
           this.jedis = jedis;
      }
    
       /**
        * SetBit operation especially for big bitmap
        *
        * @param key         key
        * @param value       value
        * @param groupLength groupLength (Unit: byte)
        */
       public void setBitGrouped(byte[] key, BitSet value, int groupLength) {
           if (value.isEmpty()) {
               jedis.set(key, new byte[0]);
               return;
          }
    
           byte[] byteArray = disposeBitMap(value);
    
           // round count
           int round = byteArray.length % groupLength == 0 ? byteArray.length / groupLength : byteArray.length / groupLength + 1;
           // last round length
           int lastPacketLength = byteArray.length % groupLength == 0 ? groupLength : byteArray.length % groupLength;
    
           if (round == 1) {
               // if only one round
               byte[] lastPacketByte = new byte[lastPacketLength];
               System.arraycopy(byteArray, 0, lastPacketByte, 0, lastPacketLength);
               // set and getBit
               setAndGetBit(key, lastPacketByte);
               return;
          }
    
           byte[] packetByte = new byte[groupLength];
           byte[] lastPacketByte = new byte[lastPacketLength];
           for (int i = 0; i < round; i++) {
               if (i == 0) {
                   // first set
                   System.arraycopy(byteArray, i * groupLength, packetByte, 0, groupLength);
                   // set and getBit
                   setAndGetBit(key, packetByte);
              } else if (i != round - 1) {
                   // regular append
                   System.arraycopy(byteArray, i * groupLength, packetByte, 0, groupLength);
                   jedis.append(key, packetByte);
              } else {
                   // last append
                   System.arraycopy(byteArray, i * groupLength, lastPacketByte, 0, lastPacketLength);
                   jedis.append(key, lastPacketByte);
              }
          }
      }
    
       private byte[] disposeBitMap(BitSet bitSet) {
           // get words and count the number of word(Long)
           long[] words = bitSet.toLongArray();
           int n = words.length;
           if (n == 0)
               return new byte[0];
           for (int i = 0; i < n; i++) {
               // reverse
               words[i] = reverseLong(words[i]);
          }
           return longToBytes(words);
      }
    
       public static byte[] longToBytes(long[] longArray) {
           ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(longArray.length * 8);
           for (long value : longArray) {
               buffer.putLong(value);
          }
           return buffer.array();
      }
    
       public void setAndGetBit(byte[] key, byte[] value) {
           jedis.set(key, value);
           jedis.getbit(key, 0);
      }
    
       public static long reverseLong(long n) {
           n = (n >>> 32) | (n << 32);
           n = ((n & 0xFFFF0000FFFF0000L) >>> 16) | ((n & 0x0000FFFF0000FFFFL) << 16);
           n = ((n & 0xFF00FF00FF00FF00L) >>> 8) | ((n & 0x00FF00FF00FF00FFL) << 8);
           n = ((n & 0xF0F0F0F0F0F0F0F0L) >>> 4) | ((n & 0x0F0F0F0F0F0F0F0FL) << 4);
           n = ((n & 0xCCCCCCCCCCCCCCCCL) >>> 2) | ((n & 0x3333333333333333L) << 2);
           n = ((n & 0xAAAAAAAAAAAAAAAAL) >>> 1) | ((n & 0x5555555555555555L) << 1);
           return n;
      }
    }
  • Python
    import redis
    import random
    import string
    from bitmap import BitMap  # pip install bitmap
    # 参数
    max_bytes = 1024 * 1024 * 64 # 构造一个64MB的bitmap
    max_bits = max_bytes * 8 # 一个byte可以存储8个bit,对应大概5亿多元素
    # 这个方案不需要python内置的bitmap类型
    # index_list 存储了所有要设置为1的下标
    index_list = []
    for i in range(1000000):
        index_list.append(random.randint(0, max_bits - 1))
    # 使用bytearray构造位图
    byte_array = bytearray(max_bytes)
    for i in index_list:
        index = i // 8
        offset = i % 8
        byte_array[index] |= (1 << (7 - offset))
    # 转化成bytes类型,用于后续的redis操作
    bitmap_str = bytes(byte_array)
    # 连接到redis
    r = redis.Redis(host='127.0.0.1', port=6379)
    r.execute_command("auth a")
    key = "BITMAP_KEY"
    # 分割参数
    bitmap_pos = 0
    bitmap_sub_size = 256 * 1024 # 调整分片大小
    step = bitmap_sub_size - 1
    # 处理第一部分
    first_part = bitmap_str[bitmap_pos : bitmap_pos + step]
    r.execute_command("SET", key, first_part)
    r.execute_command("GETBIT", key, 0) # 使用getbit进行bitmap编码优化
    # 处理剩余的部分
    bitmap_pos += step
    while bitmap_pos < len(bitmap_str) :
        rest_part = bitmap_str[bitmap_pos : bitmap_pos + step]
        r.execute_command("APPEND", key, rest_part)
        bitmap_pos += step
    # 下面是测试验证的代码,注意会比较耗时,因为需要执行100w次getbit进行验证
    # 注意,最后一个bitcount命令是O(n)命令,会产生百毫秒的毛刺,请勿随意在生产环境使用
    # 构造一个python内置的bitmap类型进行数据验证(可选)
    bm = BitMap(max_bits)
    for i in index_list:
        bm.set(i)
    print('BitMap.count(): ' + str(bm.count()))
    # 调用redis命令校验是否设置正确
    success = True
    for i in index_list:
        if r.execute_command("GETBIT", key, i) != 1:
            print('GETBIT check error, pos is' + str(i))
            success = False
    
    if success:
        print('GETBIT check success')
    
    print("Bitcount: " + str(r.execute_command("BITCOUNT", key)))

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