Bitmap 位图 Java实现

Posted 2021-02-17 SimpleIto

一、结构思想

以 bit 作为存储单位进行布尔值存取的数据结构。
表现为：给定第i位，该bit为1则表示true，为0则表示false。

二、使用场景及优点

适用于对布尔或0、1值进行（大量）存取的场景。

如：记录一个用户365天的签到记录，签了为true，没签为false。若是以普通key/value数据结构，每个用户都需要记录365条，当用户量很大时会造成巨大的空间开销。
因此运用位图的话，每天签到记录只占1个位(bit)，一共就365位，则只需48个字节就能容纳。

优点：
能够进行低空间消耗且高效的布尔值存取

三、具体实现

实现源码：https://github.com/SimpleIto/data_structure/blob/master/src/bitmap/Bitmap.java

主要考虑以下问题：

1. 用什么物理结构存储一系列bit？
2. 如何通过位操作高效的实现对给指定bit的获取、修改操作？（而不是通过字符串转去转来臃肿的实现）

解决思路：

1. Java中，使用 byte[] 字节数组来存储bit。 1 byte = 8 bit
2. 对于获取操作
   思路：拿到目标bit所在的byte后，将其向右位移（并将高位置0），使目标bit在第一位，这样就能得到目标bit的值 0或1。
   1) 通过 byte[index >> 3] （等价于byte[index/8]）取到目标bit所在的byte。
   2) 令 i = index&7（等价于index%8）得到目标bit在该byte中所在的位置。
   3) 为了将目标bit前面的高位置0（这样位移后的值才等于目标bit本身）：需要构建到目标bit为止的低位掩码，即 0b11111111 >>>(7 - i)，再与原byte做&运算。
   4) 最后将结果向右位移 i 位，使目标bit处在第一位，结果值即为所求。
3. 对于修改操作
   思路：根据设定值true或false的不同，分为两种操作逻辑
   1) 如果value为true，则目标位应与1做“或”运算。需构建“目标位为1，其他为0”的操作数（因为实际操作的是byte，为了只修改目标bit，而不影响其他位）
   2) 如果value为false，则目标位应与0做“与”运算。则需构建“目标位为0，其他为1”的操作数。
   3) 构建目标位为1其他位为0的操作数：1 << (index & 7)