使用位图算法来优化签到历史存储空间占用
前言
实际开发中有这样的场景，用户每日签到，可获取相对应的积分赠送，如果连续签到，则可获得额外的积分赠送。
本文主要讲解使用位图算法来优化签到历史记录的空间占用。当然如果业务中仅仅是获取连续签到的最大天数，使用一个计数器即可记录。
需求：
1.记录一年的签到历史
2.获取某月的签到历史
3.获取过去几天连续签到的最大天数
位图算法实现思路
一天的签到状态只有两种，签到和未签到。如果使用一个字节来表示，就需要最多366个字节。如果只用一位来表示仅需要46(366/8 = 45.75)个字节。
位图算法最关键的地方在于定位。 也就是说数组中的第n bit表示的是哪一天。给出第n天，如何查找到第n天的bit位置。
这里使用除法和求余来定位。
比如上图
第1天，index = 1/8 = 0, offset = 1 % 8 = 1 ,也就是第0个数组的第1个位置(从0开始算起)。
第11天，index = 11/8 = 1, offset = 11 % 8 = 3 ,也就是第1个数组的第3个位置(从0开始算起)。
byte[] decodeResult = signHistoryToByte(signHistory); //index 该天所在的数组字节位置 int index = dayOfYear / 8; //该天在字节中的偏移量 int offset = dayOfYear % 8;
//设置该天所在的bit为1
byte data = decodeResult[index];
data = (byte)(data|(1 << (7-offset)));
decodeResult[index] = data ;
//获取该天所在的bit的值
int flag = data[index] & (1 << (7-offset));
编码问题
应用中使用的字节数组，而存到数据库的是字符串。
由于ASCII表中有很多不可打印的ASCII值，并且每一个签到记录的字节都是-128～127,如果使用String 来进行转码，会造成乱码出现，
乱码
public static void main(String args[]){ byte[] data = new byte[1]; for(int i = 0; i< 127; i++){ data[0] = (byte)i; String str = new String(data); System.out.println(data[0] + "---" + str); } data[0] = -13; String str = new String(data); System.out.println(data[0] + "---" + str + "----"); } ///////////////////////// 0--- 1--- 2--- 3--- 4--- 5--- 6--- 7--- 8-- 9--- 10--- 11--- 12---
为了解决编码乱码问题，
本文使用BASE64编码来实现。参看
Base64 的那些事儿
LocalDate
Date类并不能为我们提供获取某一天是该年的第几天功能，JDK8为我们提供了LocalDate类，该类可以替换Date类，相比Date提供了更多丰富的功能。更多使用方法参考源码。
//获取2018/6/11 位于该年第几天 LocalDate localDate = LocalDate.of(2018,6,11); localDate.getDayOfYear(); //获取今天 位于当年第几天 LocalDate localDate1 = LocalDate.now(); localDate.getDayOfYear();
数据表
原始数组长度仅需要46个字节，经过BASE64编码后的字符串长度为64,所以这里的sign_history长度最大为64.
DROP TABLE IF EXISTS `sign`; CREATE TABLE `sign`( `id` BIGINT AUTO_INCREMENT COMMENT "ID", `user_id` BIGINT DEFAULT NULL COMMENT "用户ID", `sign_history` VARCHAR(64) DEFAULT NULL COMMENT "签到历史", `sign_count` INT DEFAULT 0 COMMENT "连续签到次数" , `last_sign_time` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT "最后签到时间", PRIMARY KEY (`id`), UNIQUE user_id_index (`user_id`) )ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT="签到表";
签到
由于每一天在签到历史记录的字节数组中的位置都是固定好的。因此可以通过对该天进行除法和求余，即可轻易计算出该天所在的bit.
对该天签到仅需将该bit置1即可。之后对字节数组进行重新BASE64编码即可
/** *功能描述 * @author lgj * @Description 签到 * @date 6/27/19 * @param: signHistory: 原始签到字符串 * dayOfYear: 需要签到的那一天(那年的第几天) * @return: 最新生成的签到历史字符串 * */ public static String sign(String signHistory,int dayOfYear) throws Exception { if(signHistory == null){ throw new SignException("SignHistory can not be null!"); } checkOutofDay(dayOfYear); byte[] decodeResult = signHistoryToByte(signHistory);
//index 该天所在的数组字节位置 int index = dayOfYear / 8;
//该天在字节中的偏移量 int offset = dayOfYear % 8; byte data = decodeResult[index]; data = (byte)(data|(1 << (7-offset))); decodeResult[index] = data ; String encodeResult = new BASE64Encoder().encode(decodeResult); return encodeResult; }
获取某年某月的签到数据
该功能实现先求出当月第一天和最后一天属于当年的第几天，然后遍历该范围内的签到情况。
/** *功能描述 * @author lgj * @Description 获取某年某月的签到数据 * @date 6/27/19 * @param: List<Integer>，如果当月的第一天和第三天签到，返回[1,3] * @return: * */ public static List<Integer> getSignHistoryByMonth(String signHistory, int year, int month)throws Exception{ if(signHistory == null){ throw new SignException("SignHistory can not be null!"); } checkOutofMonth(month); //start 本月第一天属于当年的第几天 LocalDate localDate = LocalDate.of(year,month,1); int start = localDate.getDayOfYear(); //end 本月的最后一天属于当年的第几天 int dayOfMonth = localDate.lengthOfMonth(); //log.info("dayOfMonth = {}",dayOfMonth); localDate = localDate.withDayOfMonth(dayOfMonth); int end = localDate.getDayOfYear(); //log.info("start={},end={}",start,end); Integer result = 0; byte[] data = signHistoryToByte(signHistory); List<Integer> signDayOfMonths = new ArrayList<>(); int signDay = 0;
//遍历 for(int i = start; i< end ; i++){ signDay++; if(isSign(data,i)){ signDayOfMonths.add(signDay); } } return signDayOfMonths; }
获取过去几天的连续签到的次数
先定位当天的bit所在的bit位置，再往前遍历，直到碰到没有签到的一天。
/** *功能描述 * @author lgj * @Description 获取过去几天的连续签到的次数 * @date 6/27/19 * @param: * @return: 今天 6.27 签到， 同时 6.26 ，6.25 也签到 ，6.24 未签到 ，返回 3 * 今天 6.27 未签到， 同时 6.26 ，6.25 也签到 ，6.24 未签到 ，返回 2 * */ public static int getMaxContinuitySignDay(String signHistory) throws Exception{ int maxContinuitySignDay = 0; if(signHistory == null){ throw new SignException("SignHistory can not be null!"); } //获取当天所在的年偏移量 LocalDate localDate =LocalDate.now(); int curDayOfYear = localDate.getDayOfYear(); byte[] data = signHistoryToByte(signHistory);
//开始遍历，从昨天往前遍历 int checkDayOfYear = curDayOfYear-1; while (checkDayOfYear > 0){ if(isSign(data,checkDayOfYear)){ checkDayOfYear--; maxContinuitySignDay++; } else { break; } } //检测今天是否已经签到，签到则+1 if(isSign(data,curDayOfYear)){ maxContinuitySignDay +=1; } return maxContinuitySignDay; }
测试某年的第n天是否签到
和上面一样先定位当天的bit所在的位置，再获取该bit的值，如果为1则说明已经签到，否则为0说明没签到。
/** *功能描述 * @author lgj * @Description 测试某年的第n天是否签到 * @date 6/27/19 * @param: true： 该天签到 false：没有签到 * @return: * */ public static boolean isSign(byte[] data,int dayOfYear) throws Exception{ checkOutofDay(dayOfYear); int index = dayOfYear / 8; int offset = dayOfYear % 8; //System.out.print(index+"-"); int flag = data[index] & (1 << (7-offset)); return flag == 0?false:true; }
其他代码
//获取默认值，所有的bit都为0,也就是没有任何的签到数据
public static String defaultsignHistory(){ byte[] encodeData = new byte[46]; return new BASE64Encoder().encode(encodeData); } //签到历史字符串转字节数组 public static byte[] signHistoryToByte(String signHistory) throws Exception { if(signHistory == null){ throw new SignException("SignHistory can not be null!"); } return new BASE64Decoder().decodeBuffer(signHistory); }
//校验天是否超出范围 0- 365|366 private static void checkOutofDay(int dayOfYear) throws Exception{ LocalDate localDate =LocalDate.now(); int maxDay = localDate.isLeapYear()?366:365; if((dayOfYear <= 0)&&( dayOfYear > maxDay)){ throw new SignException("The param dayOfYear["+dayOfYear+"] is out of [0-"+ maxDay+"]"); } }
//校验月数是否超出范围 private static void checkOutofMonth(int month) throws Exception{ if((month <= 0)&&( month > 12)){ throw new SignException("The param month["+month+"] is out of [0-"+ 12+"]"); } }
测试
测试1
@Test
public void sign() throws Exception{
String signHistory = SignHistoryUtil.defaultsignHistory();
int signMonth = 8;
int signDay = 13;
int dayOfYear0 = LocalDate.of(2019,signMonth,signDay).getDayOfYear();
log.info("对2019-"+ signMonth + "-"+signDay+",第[" + dayOfYear0 + "]天签到！");
signHistory = SignHistoryUtil.sign(signHistory,dayOfYear0);
signMonth = 8;
signDay = 24;
int dayOfYear1 = LocalDate.of(2019,signMonth,signDay).getDayOfYear();
log.info("对2019-"+ signMonth + "-"+signDay+",第[" + dayOfYear1 + "]天签到！");
signHistory = SignHistoryUtil.sign(signHistory,dayOfYear1);
byte[] data = SignHistoryUtil.signHistoryToByte(signHistory);
System.out.println();
log.info("第[{}]天是否签到:{}",dayOfYear0,SignHistoryUtil.isSign(data,dayOfYear0));
log.info("第[{}]天是否签到:{}",dayOfYear1,SignHistoryUtil.isSign(data,dayOfYear1));
log.info("第[{}]天是否签到:{}",15,SignHistoryUtil.isSign(data,16));
log.info("签到结果:");
log.info("数组长度 = " + data.length);
for(int i = 0; i< data.length; i++){
System.out.print(data[i]);
}
System.out.println();
log.info("signHistory 长度:[{}],VALUE=[{}]",signHistory.length(),signHistory);
List<Integer> signDayOfMonths = SignHistoryUtil.getSignHistoryByMonth(signHistory,2019,signMonth);
log.info("第[{}]月签到记录[{}]",signMonth,signDayOfMonths);
}
输出
14:09:23.493 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 对2019-8-13,第[225]天签到！ 14:09:23.529 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 对2019-8-24,第[236]天签到！ 14:09:23.531 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 第[225]天是否签到:true 14:09:23.535 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 第[236]天是否签到:true 14:09:23.535 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 第[15]天是否签到:false 14:09:23.535 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 签到结果: 14:09:23.536 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 数组长度 = 46 00000000000000000000000000006480000000000000000 14:09:23.542 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - signHistory 长度:[64],VALUE=[AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAEAIAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA==] 14:09:23.545 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 第[8]月签到记录[[13, 24]] Process finished with exit code 0
测试2
@Test public void getMaxContinuitySignDay()throws Exception { String signHistory = SignHistoryUtil.defaultsignHistory(); int curMonth = LocalDate.now().getMonth().getValue(); int curDay = LocalDate.now().getDayOfMonth(); int signDayCount = 0; int maxCount = 5; while(signDayCount < maxCount){ LocalDate localDate = LocalDate.of(2019,curMonth,curDay-signDayCount); log.info("[{}]签到",localDate); signHistory = SignHistoryUtil.sign(signHistory,localDate.getDayOfYear()); signDayCount++; } LocalDate localDate = LocalDate.of(2019,curMonth,curDay-signDayCount-1); log.info("[{}]签到",localDate); signHistory = SignHistoryUtil.sign(signHistory,localDate.getDayOfYear()); int maxContinuitySignDay = SignHistoryUtil.getMaxContinuitySignDay(signHistory); log.info("连续签到[{}]天！",maxContinuitySignDay); }
输出
14:11:02.340 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - [2019-06-27]签到 14:11:02.351 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - [2019-06-26]签到 14:11:02.352 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - [2019-06-25]签到 14:11:02.353 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - [2019-06-24]签到 14:11:02.354 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - [2019-06-23]签到 14:11:02.355 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - [2019-06-21]签到 14:11:02.355 [main] INFO com.microblog.points.service.strategy.SignHistoryUtilTest - 连续签到[5]天！
注意: 本文实例代码中并未考虑跨年度的情况，sign_history字段仅支持保存当年(1月1号--12月31号)的日签到数据，如果需要跨年度需求，在数据表中添加year字段进行区分。
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