面试题：Redis BITOP命令在海量数据状态标识聚合中的优化使用

Question

在一个拥有千万级设备的物联网系统中，每个设备有多种状态（例如：在线、离线、故障等，每种状态用1位标识）。现在要快速统计所有设备在某一时刻每种状态的设备总数，利用Redis的BITOP命令，怎样在保证高效读写的前提下设计数据存储和操作逻辑？

Answer 1

1. 数据存储设计：
   • 使用Redis的字符串类型（String）结合位操作：
     • 可以为每种状态分配一个单独的Redis字符串键。例如，对于“在线”状态，可以使用键 online_status_bitmap，“离线”状态使用键 offline_status_bitmap，“故障”状态使用键 fault_status_bitmap 等。
     • 每个字符串的长度（以字节为单位）应足够容纳千万级设备的状态标识。因为每个设备状态用1位标识，1字节 = 8位，假设有N（千万级，如N = 10000000）个设备，则需要的字节数为 ceil(N / 8)。
2. 操作逻辑：
   • 写入操作：
     • 当某个设备状态发生变化时，根据设备ID和对应的状态键，使用 SETBIT 命令来设置相应的位。例如，如果设备ID为 device_123 进入“在线”状态，在 online_status_bitmap 键上执行 SETBIT online_status_bitmap device_123 1，如果设备离线则执行 SETBIT online_status_bitmap device_123 0。
   • 读取操作（统计每种状态的设备总数）：
     • 使用 BITCOUNT 命令来统计每种状态键中值为1的位数，即处于该状态的设备总数。例如，要统计在线设备总数，执行 BITCOUNT online_status_bitmap，此命令可以高效地返回处于在线状态的设备数量。由于 BITOP 命令主要用于对多个位图进行逻辑运算，在这里统计每种状态总数时，直接使用 BITCOUNT 更为合适，如果后续有需要对多个状态进行逻辑运算（如在线且无故障设备数等场景），可以使用 BITOP 命令，例如：BITOP AND result_key online_status_bitmap non_fault_status_bitmap，然后对 result_key 使用 BITCOUNT 统计符合逻辑运算结果的设备数量。