redis GEO使用及基本原理——实现对经纬度的操作

写在前面

redis的GEO数据结构，专门用来存储位置信息，并对存储的信息进行操作，该功能在 Redis 3.2 版本新增。

举个例子：
网约车平台存储所有的司机经纬度位置信息，用户发起打车请求的时候，我们记录用户的经纬度，并且计算哪一辆车距离用户最近，然后进行派单。一辆车的经纬度信息是不断变化的，修改频繁。
此时就可以使用redis的GEO数据类型了。

实际上，GEO 类型的底层数据结构就是用 Sorted Set 来实现的。
用 Sorted Set 来保存车辆的经纬度信息时，Sorted Set 的元素是车辆 ID，元素的权重分数是经纬度信息，如下图所示：

一个经纬度其实是包含两个值的，如何将两个值变成一个值进行存储呢？那就是GeoHash编码。

GEO 类型中的 GeoHash 编码

为了能高效地对经纬度进行比较，Redis 采用了业界广泛使用的 GeoHash 编码方法，这个方法的基本原理就是“二分区间，区间编码”。

当我们要对一组经纬度进行 GeoHash 编码时，我们要先对经度和纬度分别编码，然后再把经纬度各自的编码组合成一个最终编码。

经度和纬度的单独编码过程

对于一个地理位置信息来说，它的经度范围是[-180,180]。GeoHash 编码会把一个经度值编码成一个 N 位的二进制值，我们来对经度范围[-180,180]做 N 次的二分区操作，其中 N 可以自定义。

在进行第一次二分区时，经度范围[-180,180]会被分成两个子区间：[-180,0) 和[0,180]（我称之为左、右分区）。此时，我们可以查看一下要编码的经度值落在了左分区还是右分区。如果是落在左分区，我们就用 0 表示；如果落在右分区，就用 1 表示。这样一来，每做完一次二分区，我们就可以得到 1 位编码值。

然后，我们再对经度值所属的分区再做一次二分区，同时再次查看经度值落在了二分区后的左分区还是右分区，按照刚才的规则再做 1 位编码。当做完 N 次的二分区后，经度值就可以用一个 N bit 的数来表示了。

举个例子，假设我们要编码的经度值是 116.37，我们用 5 位编码值（也就是 N=5，做 5 次分区）。

我们先做第一次二分区操作，把经度区间[-180,180]分成了左分区[-180,0) 和右分区[0,180]，此时，经度值 116.37 是属于右分区[0,180]，所以，我们用 1 表示第一次二分区后的编码值。

接下来，我们做第二次二分区：把经度值 116.37 所属的[0,180]区间，分成[0,90) 和[90, 180]。此时，经度值 116.37 还是属于右分区[90,180]，所以，第二次分区后的编码值仍然为 1。等到第三次对[90,180]进行二分区，经度值 116.37 落在了分区后的左分区[90, 135) 中，所以，第三次分区后的编码值就是 0。

按照这种方法，做完 5 次分区后，我们把经度值 116.37 定位在[112.5, 123.75]这个区间，并且得到了经度值的 5 位编码值，即 11010。这个编码过程如下表所示：

对纬度的编码方式，和对经度的一样，只是纬度的范围是[-90，90]，下面这张表显示了对纬度值 39.86 的编码过程。

当一组经纬度值都编完码后，我们再把它们的各自编码值组合在一起，组合的规则是：最终编码值的偶数位上依次是经度的编码值，奇数位上依次是纬度的编码值，其中，偶数位从 0 开始，奇数位从 1 开始。

我们刚刚计算的经纬度（116.37，39.86）的各自编码值是 11010 和 10111，组合之后，第 0 位是经度的第 0 位 1，第 1 位是纬度的第 0 位 1，第 2 位是经度的第 1 位 1，第 3 位是纬度的第 1 位 0，以此类推，就能得到最终编码值 1110011101，如下图所示：

用了 GeoHash 编码后，原来无法用一个权重分数表示的一组经纬度（116.37，39.86）就可以用 1110011101 这一个值来表示，就可以保存为 Sorted Set 的权重分数了。

当然，使用 GeoHash 编码后，我们相当于把整个地理空间划分成了一个个方格，每个方格对应了 GeoHash 中的一个分区。

举个例子。我们把经度区间[-180,180]做一次二分区，把纬度区间[-90,90]做一次二分区，就会得到 4 个分区。我们来看下它们的经度和纬度范围以及对应的 GeoHash 组合编码。

• 分区一：[-180,0) 和[-90,0)，编码 00；
• 分区二：[-180,0) 和[0,90]，编码 01；
• 分区三：[0,180]和[-90,0)，编码 10；
• 分区四：[0,180]和[0,90]，编码 11。

这 4 个分区对应了 4 个方格，每个方格覆盖了一定范围内的经纬度值，分区越多，每个方格能覆盖到的地理空间就越小，也就越精准。我们把所有方格的编码值映射到一维空间时，相邻方格的 GeoHash 编码值基本也是接近的，如下图所示：

所以，我们使用 Sorted Set 范围查询得到的相近编码值，在实际的地理空间上，也是相邻的方格，这就可以实现 LBS 应用“搜索附近的人或物”的功能了。

不过，我要提醒你一句，有的编码值虽然在大小上接近，但实际对应的方格却距离比较远。例如，我们用 4 位来做 GeoHash 编码，把经度区间[-180,180]和纬度区间[-90,90]各分成了 4 个分区，一共 16 个分区，对应了 16 个方格。编码值为 0111 和 1000 的两个方格就离得比较远，如下图所示：

所以，为了避免查询不准确问题，我们可以同时查询给定经纬度所在的方格周围的 4 个或 8 个方格。

现在我们就知道了，GEO 类型是把经纬度所在的区间编码作为 Sorted Set 中元素的权重分数，把和经纬度相关的车辆 ID 作为 Sorted Set 中元素本身的值保存下来，这样相邻经纬度的查询就可以通过编码值的大小范围查询来实现了。

GEO类型的使用

GEOADD命令

geoadd 用于存储指定的地理空间位置，可以将一个或多个经度(longitude)、纬度(latitude)、位置名称(member)添加到指定的 key 中。

基本语法：

GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member ...]
1

基本用法：

# key为Sicily ，其中存储了Palermo、Catania的经纬度，第一个参数为经度，第二个参数为纬度
127.0.0.1:6379> geoadd Sicily 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"
(integer) 2
1
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GEOPOS命令

geopos 用于从给定的 key 里返回所有指定名称(member)的位置（经度和纬度），不存在的返回 nil。

基本语法：

GEOPOS key member [member ...]
1

基本用法：

127.0.0.1:6379> geopos  Sicily Palermo
1) 1) "13.361389338970184"
   2) "38.115556395496299"
127.0.0.1:6379> geopos  Sicily China
1) (nil)
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GEODIST命令

geodist 用于返回两个给定位置之间的距离。

基本语法：

GEODIST key member1 member2 [unit]
1

member1 member2 为两个地理位置。

最后一个距离单位参数说明：

• m ：米，默认单位。
• km ：千米。
• mi ：英里。
• ft ：英尺。

基本用法：

127.0.0.1:6379> geodist Sicily "Palermo" "Catania"
"166274.1516"
127.0.0.1:6379> geodist Sicily "Palermo" "Catania" m
"166274.1516"
127.0.0.1:6379> geodist Sicily "Palermo" "Catania" km
"166.2742"
127.0.0.1:6379> geodist Sicily "Palermo" "Catania" mi
"103.3182"
127.0.0.1:6379> geodist Sicily "Palermo" "Catania" ft
"545518.8700"
127.0.0.1:6379> geodist Sicily "Palermo" "china"
(nil)
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GEORADIUS 命令

georadius 以给定的经纬度为中心， 返回键包含的位置元素当中， 与中心的距离不超过给定最大距离的所有位置元素。

基本语法：

 GEORADIUS key longitude latitude radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]
1

参数说明：

m ：米，默认单位。
km ：千米。
mi ：英里。
ft ：英尺。
WITHDIST: 在返回位置元素的同时， 将位置元素与中心之间的距离也一并返回。
WITHCOORD: 将位置元素的经度和纬度也一并返回。
WITHHASH: 以 52 位有符号整数的形式， 返回位置元素经过原始 geohash 编码的有序集合分值。 这个选项主要用于底层应用或者调试， 实际中的作用并不大。
COUNT 限定返回的记录数。
ASC: 查找结果根据距离从近到远排序。
DESC: 查找结果根据从远到近排序。

基本用法：

# 返回key为Sicily中经度15，纬度37，距离不超过200千米，返回位置元素的同时， 将位置元素与中心之间的距离也一并返回。
127.0.0.1:6379> georadius Sicily 15 37 200 km WITHDIST
1) 1) "Palermo"
   2) "190.4424"
2) 1) "Catania"
   2) "56.4413"
# 返回key为Sicily中经度15，纬度37，距离不超过200千米，返回位置元素的同时， 将位置元素的经度和纬度也一并返回。
127.0.0.1:6379> georadius Sicily 15 37 200 km WITHCOORD
1) 1) "Palermo"
   2) 1) "13.361389338970184"
      2) "38.115556395496299"
2) 1) "Catania"
   2) 1) "15.087267458438873"
      2) "37.50266842333162"
# 返回key为Sicily中经度15，纬度37，距离不超过200千米，返回位置元素的同时，将位置元素与中心之间的距离、位置元素的经度和纬度一并返回。
127.0.0.1:6379>  georadius Sicily 15 37 200 km WITHDIST WITHCOORD
1) 1) "Palermo"
   2) "190.4424"
   3) 1) "13.361389338970184"
      2) "38.115556395496299"
2) 1) "Catania"
   2) "56.4413"
   3) 1) "15.087267458438873"
      2) "37.50266842333162"
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GEORADIUSBYMEMBER命令

georadiusbymember 和 GEORADIUS 命令一样， 都可以找出位于指定范围内的元素， 但是 georadiusbymember 的中心点是由给定的位置元素决定的， 而不是使用经度和纬度来决定中心点。

基本语法：

GEORADIUSBYMEMBER key member radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]
1

基本使用：

# 添加一个位置信息
127.0.0.1:6379> GEOADD Sicily 13.583333 37.316667 "Agrigento"
(integer) 1
# 返回key为Sicily的，距离Agrigento 100千米以内的位置信息
127.0.0.1:6379> GEORADIUSBYMEMBER Sicily Agrigento 100 km
1) "Agrigento"
2) "Palermo"
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GEOHASH命令

Redis GEO 使用 geohash 来保存地理位置的坐标。

geohash 用于获取一个或多个位置元素的 geohash 值。

基本语法：

GEOHASH key member [member ...]
1

基本用法：

127.0.0.1:6379> geohash Sicily Palermo Catania
1) "sqc8b49rny0"
2) "sqdtr74hyu0"
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