Java BitSet 和 byte[] 用法

Posted 2023-02-18

【中文标题】Java BitSet 和 byte[] 用法

【英文标题】：Java BitSet and byte[] usage

【发布时间】：2012-12-11 12:43:57

【问题描述】：

我有这个应用程序，我应该大量使用BitSet 类并一点一点地写入文件。我知道我不能将位写入文件，所以首先我将BitSet 对象转换为字节数组并写入字节数组。但问题是因为BitSet 类从right to left 索引，当我将BitSet 对象转换为字节数组并写入文件时，它会向后写入。

例如这是我的 BitSet 对象：

10100100

BitSet.get(0) 给出 false，而 BitSet.get(7) 给出 true。我想把它写到文件中：

00100101

所以第一位是 0，最后一位是 1。

我的转换方法：

public static byte[] toByteArray(BitSet bits) 

    byte[] bytes = new byte[(bits.length() + 7) / 8];       
    for (int i = 0; i < bits.length(); i++) 
        if (bits.get(i)) 
            bytes[bytes.length - i / 8 - 1] |= 1 << (i % 8);
        
    
    return bytes;

我的写法：

    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(filePath);
    fos.write(BitOperations.toByteArray(cBitSet));
    fos.close();

这是故意的还是我做错了什么？谢谢。

【问题讨论】：

你如何使用这个文件？你以后用java读过它来恢复BitSet吗？

我将此文件作为字节数组读取，并在需要时将其转换为 BitSet，但使用外部二进制查看器时，它也会向后看。

【参考方案1】：

BitSet有几个问题：

它在输出上提供的字节数组的长度，使用.toByteArray()，取决于设置为 1 的最高位（如果没有设置位，则为 0，如果最后一个位设置为 indexOf(highestBitSet) + 7) / 8)； 因此，您不能依赖它来计算固定长度的位掩码。

考虑使用ByteBuffer 的包装器。示例代码如下。

注意：这使用“静态工厂方法”进行构造，因此您需要使用BitFlags.withByteLength() 或BitFlags.withBitLength() 来创建一个新实例。当然，您可以为此设计自己的方法，或者只是将构造函数公开。要获取底层数组，请调用.toByteArray()。

public final class BitFlags

    private final int nrBytes;
    private final ByteBuffer buf;

    private BitFlags(final int nrBytes)
    
        if (nrBytes < 1)
            throw new IllegalArgumentException("need at least one byte");
        this.nrBytes = nrBytes;
        buf = ByteBuffer.allocate(nrBytes);
    

    public static BitFlags withByteLength(final int nrBytes)
    
        return new BitFlags(nrBytes);
    

    public static BitFlags withBitLength(final int nrBits)
    
        return new BitFlags((nrBits - 1) / 8 + 1);
    

    public void setBit(final int bitOffset)
    
        if (bitOffset < 0)
            throw new IllegalArgumentException();

        final int byteToSet = bitOffset / 8;
        if (byteToSet > nrBytes)
            throw new IllegalArgumentException();

        final int offset = bitOffset % 8;
        byte b = buf.get(byteToSet);
        b |= 1 << offset;
        buf.put(byteToSet, b);
    

    public void unsetBit(final int bitOffset)
    
        if (bitOffset < 0)
            throw new IllegalArgumentException();

        final int byteToSet = bitOffset / 8;
        if (byteToSet > nrBytes)
            throw new IllegalArgumentException();

        final int offset = bitOffset % 8;
        byte b = buf.get(byteToSet);
        b &= ~(1 << offset);
        buf.put(byteToSet, b);
    

    public byte[] toByteArray()
    
        return buf.array();
    

【讨论】：

是的，这真的很烦人。所以我创建了一个扩展 BitSet 类的 CustomBitSet 类，并添加了一个数据字段 (int) 来保存 BitSet 的实际长度，所以现在我可以使用错误的位值开始和结束我的 BitSet 对象。但这不是问题所在。

好吧，通过我的解决方案，您可以两全其美，因为您可以获得可靠的byte[] 来编写。正如我所说，如果您愿意，我可以提供示例代码。例如，我已经这样做了，用于在 DNS 标头中设置标志（标志部分位于两个字节上）。

谢谢！我去看看！

【参考方案2】：

BitSet 实现了可序列化。如果您只需要能够在 Java 中恢复 BitSet，并且不需要检查其在文件中的状态，您应该告诉它自己保存到文件中。

如果您希望将其写入包含其他非序列化数据的文件，您可以将其写入 ByteArrayOutputStream 并从中检索 byte[]。但是，直接写入文件可能会获得更好的性能。

【参考方案3】：

我觉得这很合理。它不会很快，但它应该工作。如果您希望它以相反的顺序写出位，只需反转索引和移位即可：

byte[] bytes = new byte[(bits.length() + 7) / 8];       
for (int i = 0; i < bits.length(); i++) 
    if (bits.get(i)) 
        bytes[i / 8] |= 1 << (7 - i % 8);
    

甚至：

        bytes[i / 8] |= 128 >> (i % 8);

如果您的位集相当稀疏（或者即使不是），则仅迭代 1 位可能更有效：

byte[] bytes = new byte[(bits.length() + 7) / 8];
for ( int i = bits.nextSetBit(0); i >= 0; i = bits.nextSetBit(i+1) ) 
    bytes[i / 8] |= 128 >> (i % 8);

如果您需要更高的密集位集速度，您可以尝试使用标准的BitSet.toByteArray() 方法，然后使用位旋转技巧来反转各个字节中的位：

byte[] bytes = bits.toByteArray();
for ( int i = 0; i < bytes.length; i++ ) 
    byte b = bytes[i];
    b = ((b & 0x0F) << 4) | ((b & 0xF0) >> 4);
    b = ((b & 0x33) << 2) | ((b & 0xCC) >> 2);
    b = ((b & 0x55) << 1) | ((b & 0xAA) >> 1);
    bytes[i] = b;

【讨论】：

这个应用程序将在智能手机和智能电视上运行，所以你认为只迭代真实位会更有效吗？我的 BitSet 是一半 0 一半 1 等间隔分布。

可能是。请参阅编辑以获取替代方法。您可能想要对两者进行基准测试（以及其他答案中建议的解决方案）。