Redis位域详细介绍
1. 什么是位域？
位域不是一个独立的数据类型，它是 Redis 字符串类型提供的一个强大命令。它允许你将一个 Redis 字符串（本质上是一个字节数组）看作是一个由多个整数位段组成的数组。
简单来说，你可以：
- 在一个字符串值中，对任意位长的整数进行“随机存取”。
- 同时操作多个不同长度、不同偏移量的整数。
- 这些整数可以是有符号的，也可以是无符号的。
2. 为什么需要位域？
在没有 BITFIELD 命令之前，你可以使用 SETBIT 和 GETBIT 来操作单个位，但这对于操作大于 1 位的整数来说非常繁琐且低效（需要多次命令调用和客户端计算）。
位域解决了什么问题？
- 紧凑存储： 如果你需要存储大量的小整数（比如用户的积分、状态标志、计数器等），为每个值创建一个 Redis 键是浪费的。使用位域，你可以将许多这样的值打包到一个字符串键中，极大地节省内存。
- 原子操作： BITFIELD 命令可以一次执行多个子操作，这些操作是原子性的，这在并发环境下至关重要。
- 灵活性： 你可以定义任意长度（1-64位）的整数，并精确地控制它们在字符串中的位置。
3. 核心概念
3.1偏移量： 指定位段从字符串的哪个位开始。它有两种表示方式：
- 从 0 开始的位偏移： #<offset>，例如 #0 表示从第一个位开始。
- 基于之前操作类型的自动递增偏移： 只需提供一个偏移量值，Redis 会自动在上一个操作结束的位置开始。第一个操作的偏移量是 0。
3.2类型： 指定位段的长度和符号。格式为 <sign><bits>。
- <sign>： i 表示有符号整数，u 表示无符号整数。
- <bits>： 指定位段的长度，从 1 到 64。
- 例如： u8（一个无符号字节），i16（一个有符号的 16 位整数），i5（一个自定义的 5 位有符号整数）。
3.3溢出控制： 当对一个整数值进行增加/减少操作时，如果结果超出了该位段类型所能表示的范围，就会发生溢出。Redis 提供了几种策略来处理这种情况。
4. BITFIELD 命令语法
基本语法如下：
BITFIELD key [GET type offset] [SET type offset value] [INCRBY type offset increment] [OVERFLOW WRAP|SAT|FAIL]
主要子命令：
GET <type> <offset>
- 从指定的 offset 开始，读取一个 type 类型的位段，并将其作为整数返回。
- 示例： BITFIELD mykey GET u8 #0 从键 mykey 的第 0 位开始，读取一个 8 位的无符号整数。
SET <type> <offset> <value>
- 在指定的 offset 处，设置一个 type 类型的位段为 value。返回该位置被设置前的旧值。
- 示例： BITFIELD mykey SET i16 256 -100 从第 256 位开始，将一个 16 位的有符号整数设置为 -100。
INCRBY <type> <offset> <increment>
- 对指定 offset 处的 type 类型位段执行原子性的增加/减少操作。返回执行后的新值。
- 这是位域最强大的功能之一，因为它是一个原子性的“读-修改-写”操作。
- 示例： BITFIELD mykey INCRBY u4 #0 1 从第 0 位开始，将一个 4 位无符号整数加 1（常用于实现小范围的计数器）。
溢出控制 (OVERFLOW)：
溢出控制只对 INCRBY 子命令有效，对 SET 无效（SET 是直接赋值）。
1.WRAP (默认)： 回绕。使用 C 语言的语义，在有符号整数中溢出会回绕，无符号整数中会回绕。
例如，一个 u8 类型的值 255 加 1 会变成 0；一个 i8 类型的值 127 加 1 会变成 -128。
2.SAT： 饱和。下溢时保持在最小值，上溢时保持在最大值。
例如，一个 u8 类型的值 240 加 20，在 SAT 模式下会变成 255（而不是 260 或 4）。
3.FAIL： 失败。如果发生上溢或下溢，该 INCRBY 操作将不执行，并返回 nil。
你可以在一个 BITFIELD 命令中多次使用 OVERFLOW 来改变后续操作的溢出策略。
5. 实际应用示例
假设我们要为一个用户（ID: 1000）存储一些简单的个人资料：年龄（0-150，用 8 位无符号整数足够）
性别（0-未知，1-男，2-女，用 2 位无符号整数足够）
积分（-500 到 500，用 10 位有符号整数足够）
我们可以将这些信息全部打包到一个 Redis 字符串键 user:1000:profile 中。
1. 设置和获取值
# 1. 设置年龄（从第0位开始，8位无符号整数）为 25
> BITFIELD user:1000:profile SET u8 #0 25
(integer) 0 # 返回旧值，因为是新键，所以是0
# 2. 设置性别（从第8位开始，2位无符号整数）为 1 (男)
> BITFIELD user:1000:profile SET u2 #8 1
(integer) 0
# 3. 设置积分（从第10位开始，10位有符号整数）为 150
> BITFIELD user:1000:profile SET i10 #10 150
(integer) 0
# 4. 一次性获取所有信息
> BITFIELD user:1000:profile GET u8 #0 GET u2 #8 GET i10 #10
1) (integer) 25
2) (integer) 1
3) (integer) 150
2. 原子性增加操作（计数器）
# 用户获得10积分
> BITFIELD user:1000:profile INCRBY i10 #10 10
1) (integer) 160
# 为了防止积分溢出（超过10位有符号整数的范围 512 ~ -511），我们可以使用饱和溢出
> BITFIELD user:1000:profile OVERFLOW SAT INCRBY i10 #10 400
1) (integer) 511 # 因为 160 + 400 = 560 > 511，所以被饱和到最大值 511
3. 一个命令执行多个操作
# 一次性完成：年龄+1，积分-20
> BITFIELD user:1000:profile INCRBY u8 #0 1 INCRBY i10 #10 -20
1) (integer) 26
2) (integer) 491
6. 总结
特性 描述
本质 对字符串类型的扩展操作，将其视为整数位段数组。
核心价值 紧凑存储、原子操作、灵活的类型定义。
关键命令 BITFIELD，包含 GET, SET, INCRBY 子命令。
原子性 一个 BITFIELD 命令中的所有子操作是原子执行的。
溢出控制 WRAP（默认）, SAT, FAIL，为 INCRBY 操作提供保护。
位域是 Redis 中一个非常高级和有用的功能，特别适合在内存敏感的场景下处理大量小整数的存储和更新，例如实时分析、状态管理、特征标志等。