图解Redis中的9种数据结构

如图所示，Redis中提供了9种不同的数据操作类型，他们分别代表了不同的数据存储结构。

图2-17 数据类型

String类型

String类型是Redis用的较多的一个基本类型，也是最简单的一种类型，它和我们在Java中使用的字符类型什么太大区别，具体结构如图2-18所示。

图2-19

String常用操作指令

常用炒作指令如图2-20所示，更多的指令查询：http://doc.redisfans.com/

图2-20

String的实际存储结构

学过C++的同学都知道，C++中没有String类型，而Redis又是基于C++来实现的，那么它是如何存储String类型的呢？

Redis并没有采用C语言的传统字符串表示方式（char*或者char[]），在Redis内部，String类型以int/SDS(simple dynamic string)作为结构存储，int用来存放整型数据，sds存放字节/字符串和浮点型数据。

在C的标准字符串结构下进行了封装，用来提升基本操作的性能，同时充分利用以后的C的标准库，简化实现。我们可以在redis的源码中【sds.h】中看到sds的结构如下；

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8 {
    uint8_t len;//表示当前sds的长度(单位是字节)
    uint8_t alloc; //表示已为sds分配的内存大小(单位是字节)
    unsigned char flags; //用一个字节表示当前sdshdr的类型，因为有sdshdr有五种类型，所以至少需要3位来表示000:sdshdr5，001:sdshdr8，010:sdshdr16，011:sdshdr32，100:sdshdr64。高5位用不到所以都为0。
    char buf[];//sds实际存放的位置
};

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也就是说实际上sds类型就是char*类型，那sds和char*有什么区别呢？

主要区别就是：sds一定有一个所属的结构(sdshdr)，这个header结构在每次创建sds时被创建，用来存储sds以及sds的相关信息

对sds结构有一个简单认识以后，我们如果通过set创建一个字符串，那么也就是会创建一个sds来存储这个字符串信息，那么这个过程是怎么样的呢？

• 首先第一个要判断选择一个什么类型的sdshdr来存放信息？这就得根据要存储的sds的长度决定了，redis在创建一个sds之前会调用【sds.c文件】sdsReqType(size_t string_size)来判断用哪个sdshdr。该函数传递一个sds的长度作为参数，返回应该选用的sdshdr类型。
• 然后把数据保存到对应的sdshdr中。

图2-19

Redis采用类似C的做法存储字符串，也就是以’\0’结尾，’\0’只作为字符串的定界符，不计入alloc或者len

key命名小技巧

• a) redis并没有规定我们对key应该怎么命名，但是最好的实践是“对象类型:对象id:对象属性.子属性”
• b) key不要设置得太长，太长的key不仅仅消耗内存，而且在数据中查找这类键值计算成本很高
• c) key不要设置得太短，比如u:1000:pwd 来代替user:1000:password, 虽然没什么问题，但是后者的可读性更好
• d) 为了更好的管理你的key，对key进行业务上的分类；同时建议有一个wiki统一管理所有的key，通过查询这个文档知道redis中的key的作用

String类型的应用场景

String类型使用比较多，一般来说，不太了解Redis的人，几乎所有场景都是用String类型来存储数据。

分布式缓存

首先最基本的就是用来做业务数据的缓存，如图2-20，Redis中会缓存一些常用的热点数据，可以提升数据查询的性能。

如图2-20

分布式全局ID

使用String类型的incr命令，实现原子递增

限流

使用计数器实现手机验证码频率限流。

分布式session

基于登录场景中，保存token信息。

List类型

列表类型(list)可以存储一个有序且可重复的字符串列表，常用的操作是向列表两端添加元素或者获得列表的某一个片段，List的存储结构如图2-20所示

图2-20

常用操作命令

图2-21表示list类型的常用操作命令，具体命令的操作，可以参考： http://doc.redisfans.com/

图2-21

数据存储结构

如图2-22所示，在redis6.0中，List采用了QuickList这样一种结构来存储数据，QuickList是一个双向链表，链表的每个节点保存一个ziplist，所有的数据实际上是存储在ziplist中，ziplist是一个压缩列表，它可以节省内存空间。

听到“压缩”两个字，直观的反应就是节省内存。之所以说这种存储结构节省内存,是相较于数组的存储思路而言的。我们知道,数组要求每个元素的大小相同,如果我们要存储不同长度的字符串,那我们就需要用最大长度的字符串大小作为元素的大小(假设是5个字节)。存储小于5个字节长度的字符串的时候，便会浪费部分存储空间，比如下面这个图所示。 所以，ziplist就是根据每个节点的长度来决定占用内存大小，然后每个元素保存时同步记录当前数据的长度，这样每次添加元素是就可以计算下一个节点在内存中的存储位置，从而形成一个压缩列表。 另外，数据的方式存储数据有一个很好的优势，就是它存储的是在一个连续的内存空间，它可以很好的利用CPU的缓存来访问数据，从而提升访问性能。

图2-22

其中，QuickList中的每个节点称为QuickListNode，具体的定义在quicklist.h文件中。

typedef struct quicklistNode {
    struct quicklistNode *prev;   //链表的上一个node节点
    struct quicklistNode *next;   //链表的下一个node节点
    unsigned char *zl;            //数据指针，如果当前节点数据没有压缩，它指向一个ziplist，否则，指向一个quicklistLZF
    unsigned int sz;             /* 指向的ziplist的总大小 */
    unsigned int count : 16;     /* ziplist中的元素个数 */
    unsigned int encoding : 2;   /* 表示ziplist是否压缩了，1表示没压缩，2表示压缩 */
    unsigned int container : 2;  /* 预留字段 */
    unsigned int recompress : 1; /* 当使用类似lindex命令查看某一个本压缩的数据时，需要先解压，这个用来存储标记，等有机会再把数据重新压缩 */
    unsigned int attempted_compress : 1; /* node can't compress; too small */
    unsigned int extra : 10; /* more bits to steal for future usage */
} quicklistNode;

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quickList是list类型的存储结构，其定义如下。

typedef struct quicklist {
    quicklistNode *head;    //指向quicklistNode头节点
    quicklistNode *tail;    //指向quicklistNode的尾节点
    unsigned long count;        /* 所有ziplist数据项的个数综合 */
    unsigned long len;          /* quicklist节点个数*/
    int fill : QL_FILL_BITS;              /* ziplist大小设置 */
    unsigned int compress : QL_COMP_BITS; /* 节点压缩深度设置 */
    unsigned int bookmark_count: QL_BM_BITS;
    quicklistBookmark bookmarks[];
} quicklist;

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如图2-23所示，当向list中添加元素时，会直接保存到某个QuickListNode中的ziplist中，不过不管是从头部插入数据，还是从尾部插入数据，都包含两种情况

• 如果头节点（尾部节点）上的ziplist大小没有超过限制，新数据会直接插入到ziplist中
• 如果头节点上的ziplist达到阈值，则创建一个新的quicklistNode节点，该节点中会创建一个ziplist，然后把这个新创建的节点插入到quicklist双向链表中。

图2-23

实际使用场景

列表类型可以使用 rpush 实现先进先出的功能，同时又可以使用 lpop 轻松的弹出（查询并删除）第一个元素，所以列表类型可以用来实现消息队列，如图2-24所示。

图2-24

发红包的场景

在发红包的场景中，假设发一个10元，10个红包，需要保证抢红包的人不会多抢到，也不会少抢到，这种情况下，可以根据图2-25所示去实现。

图2-25

Hash类型

Hash类型大家应该都不陌生，他就是一个键值对集合，如图2-26所示。Hash相当于一个 string 类型的 key和 value 的映射表，key 还是key，但是value是一个键值对（key-value），类比于 Java里面的 Map> 集合。

图2-26

Hash常用操作命令

Hash结构的常用操作命令如图2-27所示，其他的指令可以参考：http://doc.redisfans.com/

图2-27

Hash实际存储结构

如图2-28所示，哈希类型的内部编码有两种：ziplist压缩列表,hashtable哈希表。只有当存储的数据量比较小的情况下，Redis 才使用压缩列表来实现字典类型。具体需要满足两个条件：

• 当哈希类型元素个数小于hash-max-ziplist-entries配置（默认512个）
• 所有值都小于hash-max-ziplist-value配置（默认64字节） ziplist使用更加紧凑的结构实现多个元素的连续存储，所以在节省内存方面比hashtable更加优秀。当哈希类型无法满足ziplist的条件时，Redis会使用hashtable作为哈希的内部实现，因为此时ziplist的读写效率会下降，而hashtable的读写时间复杂度为O（1）。

图2-28

Hash实际应用场景

Hash表使用用来存储对象数据，比如用户信息，相对于通过将对象转化为json存储到String类型中，Hash结构的灵活性更大，它可以任何添加和删除对象中的某些字段。

购物车功能

• 1.以用户ID作为key
• 2.以商品id作为field
• 3.以商品的数量作为value

对象类型数据

比如优化之后的用户信息存储，减少数据库的关联查询导致的性能慢的问题。

• 用户信息
• 商品信息
• 计数器

Set类型

如图2-29所示，集合类型 (Set) 是一个无序并唯一的键值集合。它的存储顺序不会按照插入的先后顺序进行存储。

集合类型和列表类型的区别如下：

• 列表可以存储重复元素，集合只能存储非重复元素；
• 列表是按照元素的先后顺序存储元素的，而集合则是无序方式存储元素的。

图2-29

set类型的常用操作

Set类型的常用操作指令如下。

命令	说明	时间复杂度
SADD key member [member ...]	添加一个或者多个元素到集合(set)里	O(N)
SCARD key	获取集合里面的元素数量	O(1)
SDIFF key [key ...]	获得队列不存在的元素	O(N)
SDIFFSTORE destination key [key ...]]	获得队列不存在的元素，并存储在一个关键的结果集	O(N)
SINTER key [key ...]	获得两个集合的交集	O(N*M)
SINTERSTORE destination key [key ...]	获得两个集合的交集，并存储在一个关键的结果集	O(N*M)
SISMEMBER key member	确定一个给定的值是一个集合的成员	O(1)
SMEMBERS key	获取集合里面的所有元素	O(N)
SMOVE source destination member	移动集合里面的一个元素到另一个集合	O(1)
SPOP key [count]	删除并获取一个集合里面的元素	O(1)
SRANDMEMBER key [count]	从集合里面随机获取一个元素
SREM key member [member ...]]	从集合里删除一个或多个元素	O(N)
SUNION key [key ...]]	添加多个set元素	O(N)
SUNIONSTORE destination key [key ...]	合并set元素，并将结果存入新的set里面	O(N)

Set类型实际存储结构

Set在的底层数据结构以intset或者hashtable来存储。当set中只包含整数型的元素时，采用intset来存储，否则，采用hashtable存储，但是对于set来说，该hashtable的value值用于为NULL，通过key来存储元素。

typedef struct intset {
    uint32_t encoding;
    uint32_t length;
    int8_t contents[];
} intset;

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intset将整数元素按顺序存储在数组里，并通过二分法降低查找元素的时间复杂度。数据量大时，

依赖于“查找”的命令（如SISMEMBER）就会由于O(logn)的时间复杂度而遇到一定的瓶颈，所以数据量大时会用dict来代替intset。

但是intset的优势就在于比dict更省内存，而且数据量小的时候O(logn)未必会慢于O(1)的hash function，这也是intset存在的原因。

图2-30

set类型的实际应用场景

标签管理功能

1. 给用户添加标签。sadd user:1:basketball game coding swing sadd user:2:sing coding sleep basketball ... sadd user:k:tags tag1 tag2 tag4 ...
2. 使用sinter命令，可以来计算用户共同感兴趣的标签sinter user:1 user:2

这种标签系统在电商系统、社交系统、视频网站，图书网站，旅游网站等都有着广泛的应用。例如一个用户可能对娱乐、体育比较感兴趣，另一个用户可能对历史、新闻比较感兴趣，

这些兴趣点就是标签。有了这些数据就可以得到喜欢同一个标签的人，以及用户的共同喜好的标签，这些数据对于用户体验以及增强用户黏度比较重要。

例如一个社交系统可以根据用户的标签进行好友的推荐，已经用户感兴趣的新闻的推荐等，一个电子商务的网站会对不同标签的用户做不同类型的推荐，比如对数码产品比较感兴趣的人，

在各个页面或者通过邮件的形式给他们推荐最新的数码产品，通常会为网站带来更多的利益

相关商品信息展示

比如在电商系统中，当用户查看某个商品时，可以推荐和这个商品标签有关的商品信息。

ZSet类型

有序集合类型，顾名思义，和前面讲的集合类型的区别就是多了有序的功能。

如图2-31所示，在集合类型的基础上，有序集合类型为集合中的每个元素都关联了一个分数（浮点型），这使得我们不仅可以完成插入、删除和判断元素是否存在等集合类型支持的操作，还能获得分数最高(或最低)的前N个元素、获得指定分数范围内的元素等与分数有关的操作。

图2-31

ZSet常用操作命令

ZSet的常用命令如图2-32所示，完整的操作命令，详见：http://doc.redisfans.com/

图2-32

ZSet的数据存储结构

ZSet的底层数据结构采用了zipList（压缩表）和skiplist（跳跃表）组成，当同时满足以下两个条件时，有序集合采用的是ziplist存储。

• 有序集合保存的元素个数要小于128个
• 有序集合保存的所有元素成员的长度必须小于64个字节

如果不能满足以上任意一个条件，有序集合会采用skiplist（跳跃表）结构进行存储，如图2-33所示，zSet不只是用skiplist，实际上，它使用了dict（字典表）和zskiplist（跳跃表）同时进行数据存储。

• dict，字典类型， 其中key表示zset的成员数据，value表示zset的分值，用来支持O(1)复杂度的按照成员取分值的操作
• zskiplist，跳跃表，按分值排序成员，用来支持平均复杂度为O(logn)的按照分值定位成员的操作，以及范围查找操作。

其中zskiplistNode中*obj和Dic中*key指向同一个具体元素，所以不会存在多余的内存消耗问题。另外，backward表示后退指针，方便进行回溯。

图2-33

关于跳跃表

跳表(skip list) 对标的是平衡树(AVL Tree)，是一种 插入/删除/搜索 都是 O(log n) 的数据结构。它最大的优势是原理简单、容易实现、方便扩展、效率更高。因此在一些热门的项目里用来替代平衡树，如 redis, leveldb 等。

跳表的基本思想

首先，跳表处理的是有序的链表（一般是双向链表，下图未表示双向），如下：

这个链表中，如果要搜索一个数，需要从头到尾比较每个元素是否匹配，直到找到匹配的数为止，即时间复杂度是 O(n)O(n)。同理，插入一个数并保持链表有序，需要先找到合适的插入位置，再执行插入，总计也是 O(n)O(n) 的时间。

那么如何提高搜索的速度呢？很简单，做个索引：

如上图，我们新创建一个链表，它包含的元素为前一个链表的偶数个元素。这样在搜索一个元素时，我们先在上层链表进行搜索，当元素未找到时再到下层链表中搜索。例如搜索数字 19 时的路径如下图：

先在上层中搜索，到达节点 17 时发现下一个节点为 21，已经大于 19，于是转到下一层搜索，找到的目标数字 19。

我们知道上层的节点数目为 n/2n/2，因此，有了这层索引，我们搜索的时间复杂度降为了：O(n/2)O(n/2)。同理，我们可以不断地增加层数，来减少搜索的时间：

在上面的 4 层链表中搜索 25，在最上层搜索时就可以直接跳过 21 之前的所有节点，因此十分高效。

更一般地，如果有 kk 层，我们需要的搜索次数会小于 ⌈n2k⌉+k⌈n2k⌉+k ，这样当层数 kk 增加到 ⌈log2n⌉⌈log2⁡n⌉ 时，搜索的时间复杂度就变成了 lognlog⁡n。其实这背后的原理和二叉搜索树或二分查找很类似，通过索引来跳过大量的节点，从而提高搜索效率。

动态跳表

上节的结构是“静态”的，即我们先拥有了一个链表，再在之上建了多层的索引。但是在实际使用中，我们的链表是通过多次插入/删除形成的，换句话说是“动态”的。上节的结构要求上层相邻节点与对应下层节点间的个数比是 1:2，随意插入/删除一个节点，这个要求就被被破坏了。

因此跳表（skip list）表示，我们就不强制要求 1:2 了，一个节点要不要被索引，建几层的索引，都在节点插入时由抛硬币决定。当然，虽然索引的节点、索引的层数是随机的，为了保证搜索的效率，要大致保证每层的节点数目与上节的结构相当。下面是一个随机生成的跳表：

可以看到它每层的节点数还和上节的结构差不多，但是上下层的节点的对应关系已经完全被打破了。

现在假设节点 17 是最后插入的，在插入之前，我们需要搜索得到插入的位置：

接着，抛硬币决定要建立几层的索引，伪代码如下：

randomLevel()
    lvl := 1
    -- random() that returns a random value in [0...1)
    while random() < p and lvl < MaxLevel do
        lvl := lvl + 1
    return lvl

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上面的伪代码相当于抛硬币，如果是正面（random() < p）则层数加一，直到抛出反面为止。其中的 MaxLevel 是防止如果运气太好，层数就会太高，而太高的层数往往并不会提供额外的性能，

一般 MaxLevel=log1/pnMaxLevel=log1/p⁡n。现在假设 randomLevel 返回的结果是 2，那么就得到下面的结果。

如果要删除节点，则把节点和对应的所有索引节点全部删除即可。当然，要删除节点时需要先搜索得到该节点，搜索过程中可以把路径记录下来，这样删除索引层节点的时候就不需要多次搜索了

ZSet的使用场景

• 排行榜系统有序集合比较典型的使用场景就是排行榜系统。例如学生成绩的排名。某视频(博客等)网站的用户点赞、播放排名、电商系统中商品的销量排名等。我们以博客点赞为例。添加用户赞数例如小编Tom发表了一篇博文，并且获得了10个赞。zadd user:ranking article1 10 取消用户赞数这个时候有一个读者又觉得Tom写的不好，又取消了赞，此时需要将文章的赞数从榜单中减去1，可以使用zincrby。zincrby user:ranking -1 article1 查看某篇文章的赞数ZSCORE user:ranking arcticle1 展示获取赞数最多的十篇文章此功能使用zrevrange命令实现：zrevrange user:ranking 0 10 #0 到 10表示元素个数索引 zrevrangebyscore user:ranking 99 0 # 按照分数从高到低排名，99，0表示score
• 热点话题排名比如想微博的热搜，就可以使用ZSet来实现。

其他数据类型介绍

在Redis中，还有一些使用得非常少的数据类型，简单给大家普及一下。

Geospatial

Geo是Redis3.2推出的一个类型，它提供了地理位置的计算功能，也就是可以计算出两个地理位置的距离。

文档：https://www.redis.net.cn/order/3687.html

下面演示一下Geo的基本使用，其中需要用到经纬度信息，可以从 http://www.jsons.cn/lngcode/查询。

1. 添加模拟数据geoadd china:city 116.40 39.90 beijing geoadd china:city 121.47 31.23 shanghai geoadd china:city 114.05 22.52 shengzhen geoadd china:city 113.28 23.12 guangzhou
2. 获取当前位置的坐标值geopos china:city beijing geopos china:city shanghai
3. 获取两个位置之间的距离：m-表示米/km-表示千米/mi-表示英里/ft表示英尺# 查看北京到上海的直线距离 geodist china:city beijing shanghai km # 查看北京到深圳的直线距离 geodist china:city beijing shenzhen km
4. 给定一个经纬度，找出该经纬度某一半径内的元素# 以110 30这个点为中心，寻找方圆1000km的城市 georadius china:city 110 30 1000 km
5. 找出指定位置周围的其他元素georadiusbymember china:city shanghai 1000 km

比如现在比较火的直播业务，我们需要检索附近的主播，那么GEO就可以很好的实现这个功能。

• 一是主播开播的时候写入主播Id的经纬度，
• 二是主播关播的时候删除主播Id元素，这样就维护了一个具有位置信息的在线主播集合提供给线上检索。

HyperLogLog

HyperLogLog是Redis2.8.9提供的一种数据结构，他提供了一种基数统计方法。什么是基数统计呢？简单来说就是一个集合中不重复元素的个数，比如有一个集合{1,2,3,1,2}，那么它的基数就是3。

HyperLogLog提供了三种指令。

• pfadd ，Redis Pfadd 命令将所有元素参数添加到 HyperLogLog 数据结构中。
• pfcount，Redis Pfcount 命令返回给定 HyperLogLog 的基数估算值。
• pgmerge，Redis Pgmerge 命令将多个 HyperLogLog 合并为一个 HyperLogLog ，合并后的 HyperLogLog 的基数估算值是通过对所有 给定 HyperLogLog 进行并集计算得出的。

使用方法如下。

pfadd uv a b c a c d e f   # 创建一组元素
pfcount uv                 # 统计基数

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有同学会问了，这个功能，我用String类型、或者Set类型都可以实现，为什么要用HyperLogLog呢？

最大的特性就是： HyperLogLog在数据量非常大的情况下，占用的存储空间非常小，每个 HyperLogLog 键只需要花费 12 KB 内存，就可以计算接近 2^64（2的64次方） 个不同元素的基数，这个是一个非常庞大的数字，为什么能够用这么小的空间来存储这么大的数据呢？

不知道大家是否注意到，HyperLogLog并没有提供数据查询的命令，只提供了数据添加和数据统计。这是因为HyperLogLog并没有存储每个元素的值，它使用的是概率算法，通过存储元素的hash值的第一个1的位置，来计算元素数量，这块在这里就不做过多展开。

应用场景：

• HyperLogLog更适合做一些统计类的工作，比如统计一个网站的UV。
• 计算日活、7日活、月活数据.如果我们通过解析日志，把 ip 信息（或用户 id）放到集合中，例如：HashSet。如果数量不多则还好，但是假如每天访问的用户有几百万。无疑会占用大量的存储空间。且计算月活时，还需要将一个整月的数据放到一个 Set 中，这随时可能导致我们的程序 OOM。有了 HyperLogLog，这件事就变得很简单了。因为存储日活数据所需要的内存只有 12K，例如。# 使用日来存储每天的ip地址 pfadd ip_20190301 192.168.8.1 pfadd ip_20190302 xxx pfadd ip_20190303 xxx ... pfadd ip_20190331 xxx 计算某一天的日活，只需要执行 PFCOUNT ip_201903XX 就可以了。每个月的第一天，执行 PFMERGE 将上一个月的所有数据合并成一个 HyperLogLog，例如：ip_201903。再去执行 PFCOUNT ip_201903，就得到了 3 月的月活。

Bit

Bit，其实是String类型中提供的一个功能，他可以设置key对应存储的值指定偏移量上的bit位的值，可能大家理解起来比较抽象，举个例子

• 使用string类型保存一个keyset key m
• 通过getbit命令获取 key的bit位的值getbit key 0 getbit key 1 getbit key 2 getbit key 3 getbit key 4 getbit key 5 getbit key 6 getbit key 7 getbit key 8 打印上面的所有输出，会发现得到一个0 1 1 0 1 1 0 1的二进制数据，这个二进制拼接得到的结果。 m的ascII码对应的是109， 109的二进制正好是0 1 1 0 1 1 0 1。所以从这里可以看出来，bit其实就是针对一个String类型的value值的bit位进行操作。
• 对key进行修改，修改第6位的值变成1， 第7位的值编程0.setbit key 6 1 setbit key 7 0 在此使用 get key命令，会发现得到的结果是n。因为n的二进制是1101110,(十进制是110)。把上面的指定位修改之后，自然就得到了这样的结果。

bit操作在实际应用中，可以怎么使用呢？

比如学习打卡功能就可以使用setbit操作，比如记录一周的打卡记录。

# 设置用户id 1001的打卡记录
set sign:1001 0 1   # 已打卡
set sign:1001 1 0   # 未打卡
set sign:1001 2 1   
set sign:1001 3 1
set sign:1001 4 1

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查看某天是否已打卡

getbit sign 3

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统计当前用户总的打卡天数

bitcount sign:1001

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除了这个场景之外，还有很多类似的场景都可以使用，

• 统计活跃用户
• 记录用户在线状态

bit最大的好处在于，它通过bit位来存储0/1表示特定含义，我们知道一个int类型是8个字节，占32个bit位，意味着一个int类型的数字就可以存储32个有意义的场景，大大压缩了存储空间。