利用RedisHyperLogLog高效统计微博日活跃和月活跃用户数

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本文关键字：玩转Redis、微博日活/月活、UV统计、HyperLogLog；

大纲

• 日活数据统计面临哪些挑战
  • Bitmaps可用于统计日活吗？
  • 日活数据统计的特点
• HyperLogLog介绍
  • HyperLogLog必知
  • HyperLogLog和Sets的区别
• HyperLogLog如何使用
  • HyperLogLog命令对比分析
  • HyperLogLog命令详解
  • HyperLogLog命令注意事项
  • HyperLogLog命令示例
• HyperLogLog的应用场景

名词解释

• DAU(Daily Active User)日活跃用户数量
  常用于反映网站、互联网应用或网络游戏的运营情况。DAU通常统计一日（统计日）之内，登录或使用了某个产品的用户数（去除重复登录的用户）；
• 月活跃用户数量(Monthly Active User，MAU)
  月活跃用户数量通常统计一个月（统计月）之内，登录或使用了某个产品的用户数（去除重复登录的用户）；
• Note：日活、月活反映用户的活跃度，但是无法反映用户的粘性。

1. 日活数据统计面临哪些挑战

  2020年2月26日，微博发布2019年第四季度及全年财报。数据显示，截至2019年底，微博月活跃用户达到5.16亿，相比2018年年底净增长约5400万，其中移动端占比94%。2019年微博全年营收提升至122.4亿元，其中广告营收达到106亿元。

1.1. Bitmaps可用于统计日活吗？

  前文《玩转Redis-京东签到领京豆如何实现》提到了 Bitmaps 在大数据下的应用，那么Bitmaps可以用于统计日活数据吗？我们来做个计算分析（以一亿用户为例）：

统计方式	占用计算	1亿用户占用空间（M）
MySQL 32bit的int数据类型	1个int所需存储空间为4字节，可存储32 bit位	10^8 / (1024 * 1024 * 8 / 32) ≈ 381 M
Redis Bitmaps	Bitmaps单个支持512M，不像int单个仅存储32位	10^8 / (1024 * 1024 * 8) ≈ 12M

使用Bitmaps计算日活月活：

• 计算日活：bitcount key获取key为1的数量；
• 计算月活：可把30天的所有bitmap做or计算，再进行bitcount计算；
• 计算留存率：昨日留存=昨天今天连续登录的人数/昨天登录的人数，即昨天的bitmap与今天的bitmap进行and计算，在除以昨天bitcount的数量。

  通过以上计算，我们发现Bitmaps已经很节省空间了。统计一个网站的日活已不在话下，但是大型互联网公司除了日活，还有UV、PV等等需要统计。面对上千甚至更多的需统计模块，1个模块1天需要12M，一年就需要12M * 365 / 1024 ≈ 4.3G ，1000个模块一年就需要 12M * 365 / 1024 / 1024 ≈ 4.2T。So 革命尚未成功，我们还需再节省点！

1.2. 日活数据统计的特点

• 数据需要去重；
• 数据允许有一定的偏差，101W和102W差距不大；
• 占用空间尽可能小；

2. HyperLogLog介绍

2.1. HyperLogLog必知

  HyperLogLog（HLL）是一种用于基数计算的概率数据结构，通俗的说就是支持集合中不重复元素的统计。

  常规基数计算需要准备一块内存空间用于存储已经计数的元素，避免某些元素被重复统计。Redis提供了一种用精度来换取内存空间的算法，标准误差低于1%。仅需要12K 就能完成统计（再加上HLL自身所需的一点bytes），如果HyperLogLog中的元素较少，所需内存空间更小。HyperLogLogs的标准误差是0.81%。

  输入元素数量或体积非常大时，HLL所需空间固定且很小。12kb内存可计算接近 2^64 个不同元素的基数。

  HyperLogLog虽然技术实现是一种 不同的数据结构，但底层依旧是Redis strings，所以可以使用GET命令获取序列化后的数据，使用SET命令反序列化数据存储到Redis。

2.2. HyperLogLog和Sets的区别

对比/数据类型	Sets	HyperLogLog
是否实际存储统计元素	存储	不存储元素，仅存储存在的标记
增加元素	SADD	PFADD
统计元素数量	SCARD	PFCOUNT
删除元素	SREM	不支持删除元素

3. HyperLogLog如何使用

【HyperLogLog核心命令】：PFADD、PFCOUNT、PFMERGE；

3.1. HyperLogLog命令对比分析

命令	功能	参数
PFADD	添加元素到HLL数据结构	key element [element ...]
PFCOUNT	返回HLL的基数值	key [key ...]
PFMERGE	合并多个HLL结构数据到destkey	destkey sourcekey [sourcekey ...]

  HLL操作命令中的PF含义：HyperLogLog 数据结构的发明人 Philippe Flajolet 的首字母缩写。

3.2. HyperLogLog命令详解

3.3. HyperLogLog命令注意事项

• PFADD仅存储标记，不存储元素本身；
• PFCOUNT实际是一个write命令，执行PFCOUNT时可能会重新计算计数值并存储；
• key有多个时，PFCOUNT会动态合并计算，并且计算结果不会被缓存，所以生产环境执行PFCOUNT时尽量避免带多个key；
• PFMERGE计算的是sourcekey的并集；
• 如果destkey已存在，则PFMERGE执行后destkey最终的结果是dest+source的并集；

3.4. HyperLogLog命令示例

// pfadd、pfcount 示例 @zxiaofan

127.0.0.1:6379> pfadd hll 1
(integer) 1
127.0.0.1:6379> pfadd hll 1
(integer) 0
127.0.0.1:6379> pfadd hll 2 3 4
(integer) 1
127.0.0.1:6379> pfcount hll
(integer) 4
127.0.0.1:6379> pfcount hll:notexist
(integer) 0
127.0.0.1:6379> pfadd hll2 a b
(integer) 1
127.0.0.1:6379> pfcount hll2
(integer) 2
127.0.0.1:6379> pfcount hll hll2
(integer) 6
127.0.0.1:6379> get hll
"HYLLx01x00x00x00x04x00x00x00x00x00x00x00Axeex84[vx80Mtx80Q,x8cCxf3"
127.0.0.1:6379> set hll:error error666
OK
127.0.0.1:6379> pfcount hll:error
(error) WRONGTYPE Key is not a valid HyperLogLog string value.

// pfmerge 示例 @zxiaofan

127.0.0.1:6379> pfadd hllm1 1 2 3 4 5
(integer) 1
127.0.0.1:6379> pfadd hllm2 5 6 7 8
(integer) 1
127.0.0.1:6379> pfmerge hllm3 hllm1 hllm2
OK
127.0.0.1:6379> pfcount hllm3
(integer) 8

127.0.0.1:6379> pfadd hllm4 7 8 9 10 11 12 14 14
(integer) 1
127.0.0.1:6379> pfmerge hllm4 hllm1 hllm2
OK
127.0.0.1:6379> pfcount hllm4
(integer) 13

4. HyperLogLog应用场景

4.1. 网站日活月活

  日活：每天一个HLL，用户登录时则PFADD HLL20200719 userID;
  月活：合并当月的所有日活数据，PFMERGE HLL202007 HLL20200701 HLL20200702 HLL20200703 ...

4.2. 网页UV

  UV（Unique Visitor）独立访客：1天内；COOKIE为标识；相同的客户端多次访问只计为1个访客。
  比如老板想实时查看公司网站某些页面从今天0点到现在被多少独立访客访问。

4.3. 其他场景场景

• 搜索引擎关键词搜索量；
• 用户在线人数统计；
• 基于基数计数的数据分析场景。

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