BitSet的源码研究

这几天看Bloom Filter,因为在java中,并不能像C/C++一样直接操纵bit级别的数据,所以只能另想办法替代:

1)使用整数数组来替代;

2)使用BitSet;

BitSet实际是由“二进制位”构成的一个Vector。如果希望高效率地保存大量“开-关”信息,就应使用BitSet。它只有从尺寸的角度看才有意义;如果希望的高效率的访问,那么它的速度会比使用一些固有类型的数组慢一些。

BitSet的大小与实际申请的大小并不一定一样,BitSet的size方法打印出的大小一定是64的倍数,这与它的实际申请代码有关,假设以下面的代码实例化一个BitSet:

BitSet set = new BitSet(129);
我们来看看实际是如何申请的:申请源码如下:

/**
    * Creates a bit set whose initial size is large enough to explicitly
    * represent bits with indices in the range 0 through
    * nbits-1. All bits are initially false.
    *
    * @param     nbits   the initial size of the bit set.
    * @exception 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];
   }

实际的空间是由initWords方法控制的,在这个方法里面,我们实例化了一个long型数组,那么wordIndex又是干嘛的呢?其源码如下:

/**
 * Given a bit index, return word index containing it.
 */
private static int wordIndex(int bitIndex) {
    return bitIndex >> ADDRESS_BITS_PER_WORD;
}

这里涉及到一个常量ADDRESS_BITS_PER_WORD,先解释一下,源码中的定义如下:

private final static int ADDRESS_BITS_PER_WORD = 6;
那么很明显2^6=64,所以,当我们传进129作为参数的时候,我们会申请一个long[(129-1)>>6+1]也就是long[3]的数组,到此就很明白了,实际上替代办法的1)和2)是很相似的:都是通过一个整数(4个byte或者8个byte)来表示一定的bit位,之后,通过与十六位进制的数进行and,or,~等等操作进行Bit位的操作。

接下来讲讲其他比较重要的方法

1)set方法,源码如下:

/**
    * Sets the bit at the specified index to true.
    *
    * @param     bitIndex   a bit index.
    * @exception 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();
   }

这个方法将bitIndex位上的值由false设置为true,解释如下:

我们设置的时候很明显是在改变long数组的某一个元素的值,首先需要确定的是改变哪一个元素,其次需要使用与或操作改变这个元素,在上面的代码中,首先将bitIndex>>6,这样就确定了是修改哪一个元素的值,其次这里涉及到一个expandTo方法,我们先跳过去,直接看代码:

words[wordIndex] |= (1L << bitIndex); // Restores invariants
这里不是很好理解,要注意:需要注意的是java中的移位操作会模除位数,也就是说,long类型的移位会模除64。例如对long类型的值左移65位,实际是左移了65%64=1位。所以这行代码就等于:

int transderBits = bitIndex % 64;
words[wordsIndex] |= (1L << transferBits);
上面这样写就很清楚了。

与之相对的一个方法是:

/**
    * Sets the bit specified by the index to false.
    *
    * @param     bitIndex   the index of the bit to be cleared.
    * @exception 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();
   }

这段代码理解上与set大同小异,主要是用来设置某一位上的值为false的。

上面有个方法,顺带着解释一下:

expandTo方法:

/**
     * Ensures that the BitSet can accommodate a given wordIndex,
     * temporarily violating the invariants.  The caller must
     * restore the invariants before returning to the user,
     * possibly using recalculateWordsInUse().
     * @param   wordIndex the index to be accommodated.
     */
    private void expandTo(int wordIndex) {
    int wordsRequired = wordIndex+1;
    if (wordsInUse < wordsRequired) {
        ensureCapacity(wordsRequired);
        wordsInUse = wordsRequired;
    }
    }

这里面又有个参数wordsInUse,定义如下:

/**
 * The number of words in the logical size of this BitSet.
 */

private transient int wordsInUse = 0;
根据其定义解释,这个参数表示的是BitSet中的words的逻辑大小。当我们传进一个wordIndex的时候,首先需要判断这个逻辑大小与wordIndex的大小关系,如果小于它,我们就调用方法ensureCapacity:

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;
        }
    }

也就是说将words的大小变为原来的两倍,复制数组,标志sizeIsSticky为false,这个参数的定义如下:

/**
 * Whether the size of "words" is user-specified.  If so, we assume
 * the user knows what he's doing and try harder to preserve it.
 */
private transient boolean sizeIsSticky = false;

执行完这个方法后,我们可以将wordsInUse设置为wordsRequired。(换句话说,BitSet具有自动扩充的功能)

2)get方法:

/**
     * Returns the value of the bit with the specified index. The value
     * is true if the bit with the index bitIndex
     * is currently set in this BitSet; otherwise, the result
     * is false.
     *
     * @param     bitIndex   the bit index.
     * @return    the value of the bit with the specified index.
     * @exception IndexOutOfBoundsException if the specified index is negative.
     */
    public boolean get(int bitIndex) {
    if (bitIndex < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " + bitIndex);
 
    checkInvariants();
 
    int wordIndex = wordIndex(bitIndex);
    return (wordIndex < wordsInUse)
        && ((words[wordIndex] & (1L << bitIndex)) != 0);
    }

这里主要是最后一个return语句,

return (wordIndex < wordsInUse) && ((words[wordIndex] & (1L << bitIndex)) != 0);

只有当wordIndex越界,并且wordIndex上的wordIndex上的bit不为0的时候,我们才说这一位是true.

3)size()方法:

/**
 * Returns the number of bits of space actually in use by this
 * BitSet to represent bit values.
 * The maximum element in the set is the size - 1st element.
 *
 * @return  the number of bits currently in this bit set.
 */
public int size() {
return words.length * BITS_PER_WORD;
}

这里也有一个常量,定义如下:

private final static int ADDRESS_BITS_PER_WORD = 6;
private final static int BITS_PER_WORD = 1 << ADDRESS_BITS_PER_WORD;

很明显,BITS_PER_WORD = 64,这里很重要的一点就是,如果使用size来返回BitSet数组的大小,其值一定是64的倍数,原因就在这里

4)与size相似的一个方法:length()源码如下:

/**
    * Returns the "logical size" of this BitSet: the index of
    * the highest set bit in the BitSet plus one. Returns zero
    * if the BitSet contains no set bits.
    *
    * @return  the logical size of this BitSet.
    * @since   1.2
    */
   public int length() {
       if (wordsInUse == 0)
           return 0;
 
       return BITS_PER_WORD * (wordsInUse - 1) +
       (BITS_PER_WORD - Long.numberOfLeadingZeros(words[wordsInUse - 1]));
   }

方法虽然短小,却比较难以理解,细细分析一下:根据注释,这个方法法返回的是BitSet的逻辑大小,比如说你声明了一个129位的BitSet,设置了第23,45,67位,那么其逻辑大小就是67,也就是说逻辑大小其实是的是在你设置的所有位里面最高位的Index。

这里有一个方法,Long.numberOfLeadingZeros,网上没有很好的解释,做实验如下:

long test = 1;
System.out.println(Long.numberOfLeadingZeros(test<<3));
System.out.println(Long.numberOfLeadingZeros(test<<40));
System.out.println(Long.numberOfLeadingZeros(test<<40 | test<<4));

打印结果如下:

60
23
23

也就是说,这个方法是输出一个64位二进制字符串前面0的个数的。

原 https://www.cnblogs.com/lqminn/archive/2012/08/30/2664122.html

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