Java数据结构: java.util.BitSet源码学习
接着上一篇Blog:一道面试题与Java位操作 和 BitSet 库的使用,分析下Java源码中BitSet类的源码。
位图(Bitmap),即位(Bit)的集合,是一种常用的数据结构,可用于记录大量的0-1状态,在很多地方都会用到,比如Linux内核(如inode,磁盘块)、Bloom Filter算法等,其优势是可以在一个非常高的空间利用率下保存大量0-1状态。在Java中,直接面向程序员的最小数据操作粒度是byte,并不提供能够直接操作某个bit的途径,但是程序员可以通过使用位运算符(& | ~ << >> 等等)自己封装位操作。如果不想自己动手,可以使用Java内置的BitSet类,其实现了位图数据结构并提供了一系列有用的接口。
java.util.BitSet这个类不大,代码不到1200行,理解起来也不困难,下面分析一下关键的几处代码。(注意下面的代码是基于Oracle jdk1.7.0_45,或者点击这里看源码):
1.一些属性
/*
* BitSets are packed into arrays of "words." Currently a word is
* a long, which consists of 64 bits, requiring 6 address bits.
* The choice of word size is determined purely by performance concerns.
*/
private final static int ADDRESS_BITS_PER_WORD = 6;
private final static int BITS_PER_WORD = 1 << ADDRESS_BITS_PER_WORD;
private final static int BIT_INDEX_MASK = BITS_PER_WORD - 1; /* Used to shift left or right for a partial word mask */
private static final long WORD_MASK = 0xffffffffffffffffL;
其实注释已经写得很清楚,BitSet是用long[]来存储数据,一个long是64个bit,所以ADDRESS_BITS_PER_WORD就是6(2^6=64,即表示64个值需要6个地址线的意思)。BITS_PER_WORD是1算数左移6位,即1 × 2^6 = 64,意为一个“字”(long)包含64个bit。BIT_INDEX_MASK是63,即16进制的0x3f,可理解成低6位全为1。WORD_MASK,全1,用于掩码。
至于为什么选择long这种数据类型,注释的解析是基于性能的原因,现在64位CPU已经非常普及,可以一次把一个64bit长度的long放进寄存器作计算。
**
* The internal field corresponding to the serialField "bits".
*/
private long[] words;
属性words即为实际存储数据的地方.
2.一些公共函数
/**
* Given a bit index, return word index containing it.
*/
private static int wordIndex(int bitIndex) {
return bitIndex >> ADDRESS_BITS_PER_WORD;
}
这个静态函数在很多其它函数中会用到,用途是传入一个bit的索引值bitIndex,返回这个bit所在的那个long在long[]中的索引值。就是把bitIndex算数右移6位,也就是bitIndex除以64,因为long长度是64bit。比如第50个bit所对应的long就是50 / 64 = 0,即words中的第0个long。
3.构造函数
/**
* Creates a new bit set. All bits are initially {@code false}.
*/
public BitSet() {
initWords(BITS_PER_WORD);
sizeIsSticky = false;
} /**
* Creates a bit set whose initial size is large enough to explicitly
* represent bits with indices in the range {@code 0} through
* {@code nbits-1}. All bits are initially {@code false}.
*
* @param nbits the initial size of the bit set
* @throws NegativeArraySizeException if the specified initial size
* is negative
*/
public BitSet(int nbits) {
// nbits can't be negative; size 0 is OK
if (nbits < 0)
throw new NegativeArraySizeException("nbits < 0: " + nbits); initWords(nbits);
sizeIsSticky = true;
} private void initWords(int nbits) {
words = new long[wordIndex(nbits-1) + 1];
}
如果用户调用默认构造函数,则会分配一个长度为64bit的BitSet,如果BitSet(int nbits),则会分配一个大于等于nbits并且是64的整数倍的BitSet,比如调用BitSet(100),则会分配长度为128的BitSet(即2个long)。
public static BitSet valueOf(long[] longs)
public static BitSet valueOf(LongBuffer lb)
public static BitSet valueOf(byte[] bytes)
public static BitSet valueOf(ByteBuffer bb)
BitSet也提供了一些静态函数让用户从一些已有的数据结构中直接构造BitSet。注意上面4个函数都是会把传入参数拷贝一个副本以供BitSet自己使用,所以并不会改变传入参数的数据。
4.动态扩展容量
上一篇Blog提到过,BitSet能够在一些操作(如Set())的时候,如果传入参数大于BitSet本身已有的长度,则它会自动扩展到所需长度。主要以来下面的函数:
/**
* Ensures that the BitSet can hold enough words.
* @param wordsRequired the minimum acceptable number of words.
*/
private void ensureCapacity(int wordsRequired) {
if (words.length < wordsRequired) {
// Allocate larger of doubled size or required size
int request = Math.max(2 * words.length, wordsRequired);
words = Arrays.copyOf(words, request);
sizeIsSticky = false;
}
}
这个函数的传入参数wordsRequired表示需要多少个“字”,它会与当前words的长度作比较,如果wordsRequired比较大的话,则会新建一个long[],长度取当前words长度的2倍与wordsRequired中较大的那个值,最后把当前words的内容拷贝到新long[]中,并把这个words指向这个新long[]。这就完成了动态扩容,跟ArrayList的实现方式非常类似,另一方面也看到这份代码不是线程安全的,多线程竞争下必须用户手动同步。
5.flip反转某一位
/**
* Sets the bit at the specified index to the complement of its
* current value.
*
* @param bitIndex the index of the bit to flip
* @throws IndexOutOfBoundsException if the specified index is negative
* @since 1.4
*/
public void flip(int bitIndex) {
if (bitIndex < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " + bitIndex); int wordIndex = wordIndex(bitIndex);
expandTo(wordIndex); words[wordIndex] ^= (1L << bitIndex); recalculateWordsInUse();
checkInvariants();
}
flip函数提供反转某一个位的功能。做法是先找到bitIndex所在的long,然后把这个long跟(1L << bitIndex)做“异或”操作(XOR)。注意bitIndex是可以大于63的,左移运算符(<<)支持循环移位,即实际左移位数为(bitIndex%64)这么多。假设用户调用flip(66),则代码先找到wordIndex = 1,即words[1]这个long。然后(1L << bitIndex)就是(1L << (66%64))即(1L << 2)= 0b0100,从低位数起第3个位为1,其余都为0。最后把words[1]跟0b0100做XOR,因为布尔运算中一个值与1做XOR的结果就是这个值的反,而与0做异或则不变,所以words[1]的第3位被取反了。
6.clear清除某一个位的值
/**
* Sets the bit specified by the index to {@code false}.
*
* @param bitIndex the index of the bit to be cleared
* @throws IndexOutOfBoundsException if the specified index is negative
* @since JDK1.0
*/
public void clear(int bitIndex) {
if (bitIndex < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " + bitIndex); int wordIndex = wordIndex(bitIndex);
if (wordIndex >= wordsInUse)
return; words[wordIndex] &= ~(1L << bitIndex); recalculateWordsInUse();
checkInvariants();
}
其实也就是把某一个位设为0。过程与上面flip类似,但进行的位运算不一样,这里是把(1L << bitIndex)取反再跟words[wordIndex]进行“与”运算(AND)。原理其实很简单,布尔运算中一个值和1做AND运算,则其值不变;而如果和0做AND运算,则结果为0。比如:1100 & ~(0100) 等于 1100 & 1011 = 1000.
另外BitSet还提供了get, set接口、跟另一个BitSet对象做AND/OR/XOR运算的接口,这些都是用到位运算,比较好理解,不再赘述,请自行参考API.
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