Redis和PHP的Bitmap于二进制串的相互转换

场景

错题集的存储，需要有正确的题号id集合，错误的题号id集合，两者并集后在全量题的集合中取反就是未答题号id

选型

基于场景的数据结构设计，有试过列表等，测试结果：bitmap要比列表方式节省10倍的空间使用；列表可以FIND_IN_SET查询，但是bitmap必须整存整取后，在应用端计算。各有优缺点，最后还是选择bitmap节省空间。

原理

将id对应二进制串的位数进行存储，有该id，就将位数的值设置为1，反之为0

操作系统中的位运算，64位的，最大仅支持 0 ～63 之间的位移，但是id没有长度限制。
需要定义一个区间长度，进行拼接。如区间长度：8，id：101的存储位置，即：第 ceil(101/8) 区间的第 101%8 位，这里首位永远是 0，id从正整数开始。

实现

PHP中有实现无限整数的位运算扩展：GMP，对于平常的id使用够用了，但是超大量（id位数上千万甚至亿）的运算会比较耗内存。解决方案也是按照区域划分块，参考：PHP实现Bitmap的探索 - GMP扩展使用


class common_BitMap 
{// bit映射基数：二进制const BIT_BASE = 2;private static $cacheObj;static function inst(): self{return self::$cacheObj = self::$cacheObj ?? new self();}/*** setBit** @param int|string $num* @param int $bit* @param bool $bitVal* @return string*/public static function setBit($num, int $bit, bool $bitVal = true):string{$gmp = gmp_init($num, self::BIT_BASE);gmp_setbit($gmp, $bit, $bitVal); // index starts at 0$res = gmp_strval($gmp, self::BIT_BASE);return $res;}/*** setBits** @param array $ids* @return string*/public static function setBits(array $ids = []): string{if (empty($ids)) {return '';}$max = '1'.str_repeat(0, max($ids));$maxGmp = gmp_init($max, self::BIT_BASE);sort($ids);foreach ($ids as $id) {gmp_setbit($maxGmp, $id);}$res = gmp_strval($maxGmp, self::BIT_BASE);return $res;}/*** getArrByBitStr (这里按照字符串处理)** @param string $bitStr* @return array*/public static function getArrByBitStr(string $bitStr):array{if (empty($bitStr)) {return [];}$collect = [];$len = strlen($bitStr);$str = strrev($bitStr);for ($i = 1; $i <= $len; $i ++) {if (intval($str{$i}) == 1) {$collect[] = $i;}}return $collect;}}$num = '10010001';
$str = common_BitMap::setBit($num, 3, 1);
var_dump($str);
// string(8) "10011001"$arr = [1, 12, 23];
$str = common_BitMap::setBits($arr);
var_dump($str);
// string(24) "100000000001000000000010"$decArr = common_BitMap::getArrByBitStr($str);
var_dump($decArr);
/* 
array(3) {[0]=>int(1)[1]=>int(12)[2]=>int(23)
}
*/

由于大多数都要应用缓存，所以需要存储上兼容redis的bitmap操作，先实现id数组转换

/*** redisSetBit** @param string $key* @return string*/public static function getRedisBitStrByKey(string $key = ''){if (empty($key)) {return '';}$str = of_accy_cache_redis::inst()->get($key);  // 此处基于redis的封装类$res = '';for ($i = 0; $i < strlen($str); $i++) {// 获取每个字节的二进制表示，并去掉前缀 '0b'$byteBinary = str_pad(decbin(ord($str[$i])), 8, '0', STR_PAD_LEFT);$res .= $byteBinary;}return $res;}/*** redisSetBits** @param string $key* @param array $ids* @return string*/public static function redisSetBits(string $key = '', array $ids = []){if (empty($key) || empty($ids)) {return '';}$redis = of_accy_cache_redis::inst();foreach ($ids as $id) {$redis->setBit($key, $id, 1);}$str = $redis->get($key);$res = '';for ($i = 0; $i < strlen($str); $i++) {// 获取每个字节的二进制表示，并去掉前缀 '0b'$byteBinary = str_pad(decbin(ord($str[$i])), 8, '0', STR_PAD_LEFT);$res .= $byteBinary;}return $res;}/*** getBitArrByRedisStr** @param string $bitStr* @return array*/public static function getBitArrByRedisStr(string $bitStr = ''){if (empty($bitStr)) {return [];}$collect = [];$len = strlen($bitStr);for ($i = 1; $i <= $len; $i ++) {if (intval($bitStr{$i}) == 1) {$collect[] = $i;}}return $collect;}

$key = 'bit-test';
of_accy_cache_redis::inst()->setBit($key, 12, 1);
$rStr = common_BitMap::getRedisBitStrByKey($key);
var_dump($rStr);
// string(16) "0000000000001000"$arr = [1 ,12 ,23];
$rStr = common_BitMap::redisSetBits($key, $arr);
var_dump($rStr);
// string(24) "010000000000100000000001"$rArr = common_BitMap::getBitArrByRedisStr($rStr);
var_dump($rArr);
/*
array(3) {[0]=>int(1)[1]=>int(12)[2]=>int(23)
}
*/

对比数组转换后的二进制串差异，发现redis的结果是反序的，如此就有了转换方式。

/*** redisStr2BitStr** @param string $str* @return string*/public static function redisStr2BitStr(string $str = ''){return strrev($str);}

$key = 'bit-test';
$arr = [1 ,12 ,23];$str = common_BitMap::setBits($arr);
var_dump($str);
// string(24) "100000000001000000000010"$rStr = common_BitMap::redisSetBits($key, $arr);
var_dump($rStr);
// string(24) "010000000000100000000001"$bitStr = common_BitMap::redisStr2BitStr($rStr);
var_dump($bitStr);
// string(24) "100000000001000000000010"$bitArr = common_BitMap::getArrByBitStr($bitStr);
var_dump($bitArr);
/*
array(3) {[0]=>int(1)[1]=>int(12)[2]=>int(23)
}
*/