使用bitset实现毫秒级查询

时间:2022-08-31 18:39:33
前言

因为业务要求api的一次请求响应时间在10ms以内,所以传统的数据库查询操作直接被排除(网络io和磁盘io)。通过调研,最终使用了bitset,目前已经正常运行了很久


bitset介绍

看JDK中的解释简直一头雾水,用我自己的理解概括一下

  1. bitset的内部实现是long数组
  2. set中每一个位的默认值为false(0)
  3. bitset长度按需增长
  4. bitset非线程安全

bitset关键方法分析
    /**
* Sets the bit at the specified index to {@code true}.
*
* @param bitIndex a bit index
* @throws IndexOutOfBoundsException if the specified index is negative
* @since JDK1.0
*/
public void set(int bitIndex) {
if (bitIndex < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " + bitIndex); int wordIndex = wordIndex(bitIndex);
expandTo(wordIndex); words[wordIndex] |= (1L << bitIndex); // Restores invariants checkInvariants();
}

设置指定“位”为true,bitIndex参数为非负整数。假设我们执行以下代码,观察上面代码中worIndex,words[wordIndex]值的变化

BitSet bs = new BitSet()
bs.set(0);
bs.set(1);
bs.set(2);
bs.set(3);
bs.set(4);
bitIndex wordIndex words[wordIndex] words[wordIndex]二进制表示
0 0 1 0001
1 0 3 0011
2 0 7 0111
3 0 15 1111
4 0 31 0001 1111

通过上表,我们可以很清晰的根据bitIndex和words[wordIndex]二进制值的对应关系,得到一个结论,即:bitset中每一个long可以表示64个非负整数在bitSet中存在与否。例如:0001可以表示整数0在bitset中存在,1111可以表示整数3,2,1,0在bitset中存在。


进入正题,实现bitset毫秒级查询

想象一个场景,我们有一张user表,name唯一。

CREATE TABLE `user` (
`id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`name` varchar(255) NOT NULL,
`address` varchar(255) NOT NULL comment '地址',
`gender` varchar(10) NOT NULL comment '性别',
`age` varchar(10) NOT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `name` (`name`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=0 DEFAULT CHARSET=utf8;

假设我们要查询“北京市18岁的女生”,那么对应的sql如下:

select * from `user` where address='北京' and age='18' and gender='girl';

如何使用bitset实现同样的查询呢?

  1. 将user表数据加载进内存中
  2. 为user表建立address,age,gender维度的bitset索引
  3. 根据索引查询数据
1.将user表数据加载进内存中

将user表从数据库读取出来存入List

User实体类:

public class User implements Cloneable {
private String name;
private String address;
private String gender;
private String age; @Override
public String toString() {
return "User [name=" + name + ", address=" + address + ", gender=" + gender + ", age=" + age + "]";
} @Override
public User clone() {
User user = null;
try {
user = (User) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return user;
}
//省略get set 方法。。。
2.建立索引

创建bitset索引模型类

public class BitSetIndexModel {
private String type;//索引类型:address,age,gender
private ConcurrentHashMap<String, Integer> map;//索引类型和bitSet在bsList中下标的映射关系
private List<String> list;//索引类型的值集合,例如gender:girl,boy
private List<BitSet> bsList;//bitset集合 public BitSetIndex() { } public BitSetIndexModel(String type) {
this.type = type;
map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();
list = new ArrayList<String>();
bsList = new ArrayList<BitSet>();
} public String getType() {
return type;
} public void setType(String type) {
this.type = type;
} public Map<String, Integer> getMap() {
return map;
} public void setMap(ConcurrentHashMap<String, Integer> map) {
this.map = map;
} public List<String> getList() {
return list;
} public void setList(List<String> list) {
this.list = list;
} public List<BitSet> getBsList() {
return bsList;
} public void setBsList(List<BitSet> bsList) {
this.bsList = bsList;
} /**
*
* @param str
* @param i
*/
public void createIndex(String str, int i) {
BitSet bitset = null;
//获取‘str’对应的bitset在bsList中的下标
Integer index = this.getMap().get(str);
if (index != null) {
bitset = this.getBsList().get(index);
if (bitset == null) {
bitset = new BitSet();
this.getBsList().add(index, bitset);
}
bitset.set(i, true);// 将str对应的位置为true,true可省略
} else {
bitset = new BitSet();
List<String> list = this.getList();
list.add(str);
index = list.size() - 1;
bitset.set(i, true);
this.getBsList().add(bitset);
this.getMap().put(str, index);
}
} /**
* 从entity里拿出符合条件的bitset
*
* @param str
* @return
*/
public BitSet get(String str) {
BitSet bitset = null;
str = str.toLowerCase();
Integer index = this.getMap().get(str); if (index != null) {
bitset = this.getBsList().get(index);
} else {
bitset = new BitSet();
}
return bitset;
} /**
* bitset的与运算
*
* @param str
* @param bitset
* @return
*/
public BitSet and(String str, BitSet bitset) {
if (str != null) {
str = str.toLowerCase();
if (bitset != null) {
bitset.and(get(str));
} else {
bitset = new BitSet();
bitset.or(get(str));
}
}
return bitset;
} /**
* bitset的或运算
*
* @param str
* @param bitset
* @return
*/
public BitSet or(String str, BitSet bitset) {
if (str != null) {
str = str.toLowerCase();
if (bitset != null) {
bitset.or(get(str));
} else {
bitset = new BitSet();
bitset.or(get(str));
}
}
return bitset;
} /**
* 获取bitset值为true的 即 把 bitset翻译为list的索引
*
* @param bitset
* @return
*/
public static List<Integer> getRealIndexs(BitSet bitset) {
List<Integer> indexs = new ArrayList<Integer>();
if (bitset != null) {
int i = bitset.nextSetBit(0);
if (i != -1) {
indexs.add(i);
for (i = bitset.nextSetBit(i + 1); i >= 0; i = bitset.nextSetBit(i + 1)) {
int endOfRun = bitset.nextClearBit(i);
do {
indexs.add(i);
} while (++i < endOfRun);
}
}
} return indexs;
} }

为每一个user对象创建address,gender,age维度索引

public class UserIndexStore {

	private static final String ADDRESS = "address";
private static final String GENDER = "gender";
private static final String AGE = "age";
private BitSetIndexModel address;
private BitSetIndexModel gender;
private BitSetIndexModel age;
private ConcurrentHashMap<Integer, User> userMap;//存储所有的user数据
private ConcurrentHashMap<String, Integer> nameIndexMap;//name和index映射 public static final UserIndexStore INSTANCE = getInstance(); private UserIndexStore() {
init();
} public static UserIndexStore getInstance() {
return UserIndexStoreHolder.instance;
} private static class UserIndexStoreHolder {
private static UserIndexStore instance = new UserIndexStore();
} private void init() {
this.address = new BitSetIndexModel(ADDRESS);
this.gender = new BitSetIndexModel(GENDER);
this.age = new BitSetIndexModel(AGE);
userMap = new ConcurrentHashMap<Integer, User>();
nameIndexMap = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();
} /**
* 构建索引
* @param users
*/
public void createIndex(List<User> users) {
if (users != null && users.size() > 0) {
for (int index = 0; index < users.size(); index++) {
User user = users.get(index);
createIndex(user, index);
}
}
} private void createIndex(User user, int index) {
getAddress().update(user.getAddress(), index);
getGender().update(user.getGender(), index);
getAge().update(user.getAge(), index);
this.userMap.put(index, user);
this.nameIndexMap.put(user.getName(), index);
} public BitSet query(String address, String gender, String age) {
BitSet bitset = null;
bitset = getAddress().and(address, bitset);
bitset = getGender().and(gender, bitset);
bitset = getAge().and(age, bitset);
return bitset;
} public User findUser(Integer index) {
User user = this.userMap.get(index);
if (user != null) {
return user.clone();//可能会对user做修改操作,要保证内存原始数据不变
}
return null;
} public BitSetIndexModel getAddress() {
return address;
} public void setAddress(BitSetIndexModel address) {
this.address = address;
} public BitSetIndexModel getGender() {
return gender;
} public void setGender(BitSetIndexModel gender) {
this.gender = gender;
} public BitSetIndexModel getAge() {
return age;
} public void setAge(BitSetIndexModel age) {
this.age = age;
} }
3.测试bitset
public class BitSetTest {

	public static void main(String[] args) {
List<User> users = buildData();
UserIndexStore.getInstance().createIndex(users);
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);
int num = 2000;
long begin1 = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < num; i++) {
Runnable syncRunnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
List<Integer> indexs = BitSetIndexModel.getRealIndexs(UserIndexStore.getInstance().query("北京", "girl", "18"));
for (Integer index : indexs) {
UserIndexStore.getInstance().findUser(index);
}
}
};
executorService.execute(syncRunnable);
}
executorService.shutdown();
while (true) {
try {
if (executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS)) {
System.out.println("单次查询时间为:" + (System.currentTimeMillis() - begin1) / num + "ms");
break;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
} private static List<User> buildData() {
String[] addresss = { "北京", "上海", "深圳" };
String[] ages = { "16", "17", "18" };
List<User> users = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 200000; i++) {
User user = new User();
user.setName("name" + i);
int rand = ThreadLocalRandom.current().nextInt(3);
user.setAddress(addresss[ThreadLocalRandom.current().nextInt(3)]);
user.setGender((rand & 1) == 0 ? "girl" : "boy");
user.setAge(ages[ThreadLocalRandom.current().nextInt(3)]);
users.add(user);
}
return users;
} }

测试结果(查询2w次):

数据量(users.size()) 并发数 平均查询时间
20w 10 1ms
50w 20 3ms
100w 50 9ms

测试机为thinkpad x240 i5 8g内存

4.总结

优点:

通过测试发现随着数据量的增大和并发数的提高,平均耗时并没有明显升高,并且响应时间都在10ms以内

缺点:

  1. 不适合数据量太大的情况,因为需要把数据全部加载进内存
  2. 不适合复杂查询
  3. 不适合对name,id等唯一值做查询
后记

因为我们的查询业务比较简单,唯一的要求是速度,并且数据量也不大,每张表的数据量都不超过100w,所以使用这种方式比较合适。

在本篇文章中只谈到了如何创建索引,以及最基本的查询,在下一篇中我会继续说明如何更新索引,以及一些复杂查询,比如<,>,between and。

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