Java枚举类型(enum)-7

EnumSet原理

有前面位向量的分析，对于了解EnumSet的实现原理就相对简单些了，EnumSet内部使用的位向量实现的，前面我们说过EnumSet是一个抽象类，事实上它存在两个子类，RegularEnumSet和JumboEnumSet。RegularEnumSet使用一个long类型的变量作为位向量，long类型的位长度是64，因此可以存储64个枚举实例的标志位，一般情况下是够用的了，而JumboEnumSet使用一个long类型的数组，当枚举个数超过64时，就会采用long数组的方式存储。先看看EnumSet内部的数据结构：

public abstract class EnumSet> extends AbstractSet
    implements Cloneable, java.io.Serializable
{
    //表示枚举类型
    final Class elementType;
    //存储该类型信息所表示的所有可能的枚举实例
    final Enum[] universe;
    //..........
}

EnumSet中有两个变量，一个elementType用于表示枚举的类型信息，universe是数组类型，存储该类型信息所表示的所有可能的枚举实例，EnumSet是抽象类，因此具体的实现是由子类完成的，下面看看noneOf(Class elementType)静态构建方法

 public static > EnumSet noneOf(Class elementType) {
        //根据EnumMap中的一样，获取所有可能的枚举实例
        Enum[] universe = getUniverse(elementType);
        if (universe == null)
            throw new ClassCastException(elementType + " not an enum");

        if (universe.length <= 64)
            //枚举个数小于64，创建RegularEnumSet
            return new RegularEnumSet<>(elementType, universe);
        else
            //否则创建JumboEnumSet
            return new JumboEnumSet<>(elementType, universe);
    }

从源码可以看出如果枚举值个数小于等于64，则静态工厂方法中创建的就是RegularEnumSet，否则大于64的话就创建JumboEnumSet。无论是RegularEnumSet还是JumboEnumSet，其构造函数内部都间接调用了EnumSet的构造函数，因此最终的elementType和universe都传递给了父类EnumSet的内部变量。如下：

//RegularEnumSet构造
RegularEnumSet(ClasselementType, Enum[] universe) {
      super(elementType, universe);
  }

//JumboEnumSet构造
JumboEnumSet(ClasselementType, Enum[] universe) {
      super(elementType, universe);
      elements = new long[(universe.length + 63) >>> 6];
  }

在RegularEnumSet类和JumboEnumSet类中都存在一个elements变量，用于记录位向量的操作，

//RegularEnumSet
class RegularEnumSet> extends EnumSet {
    private static final long serialVersionUID = 3411599620347842686L;
    //通过long类型的elements记录位向量的操作
    private long elements = 0L;
    //.......
}

//对于JumboEnumSet则是：
class JumboEnumSet> extends EnumSet {
    private static final long serialVersionUID = 334349849919042784L;
    //通过long数组类型的elements记录位向量
    private long elements[];
     //表示集合大小
    private int size = 0;

    //.............
    }

在RegularEnumSet中elements是一个long类型的变量，共有64个bit位，因此可以记录64个枚举常量，当枚举常量的数量超过64个时，将使用JumboEnumSet，elements在该类中是一个long型的数组，每个数组元素都可以存储64个枚举常量，这个过程其实与前面位向量的分析是同样的道理，只不过前面使用的是32位的int类型，这里使用的是64位的long类型罢了。接着我们看看EnumSet是如何添加数据的，RegularEnumSet中的add实现如下

public boolean add(E e) {
    //检测是否为枚举类型
    typeCheck(e);
    //记录旧elements
    long oldElements = elements;
    //执行位向量操作，是不是很熟悉？
    //数组版：a[i >> SHIFT ] |= (1 << (i & MASK))
    elements |= (1L << ((Enum)e).ordinal());
    return elements != oldElements;
}

关于elements |= (1L << ((Enum)e).ordinal());这句跟我们前面分析位向量操作是相同的原理，只不过前面分析的是数组类型实现，这里用的long类型单一变量实现，((Enum)e).ordinal()通过该语句获取要添加的枚举实例的序号，然后通过1左移再与 long类型的elements进行或操作，就可以把对应位置上的bit设置为1了，也就代表该枚举实例存在。图示演示过程如下，注意universe数组在EnumSet创建时就初始化并填充了所有可能的枚举实例，而elements值的第n个bit位1时代表枚举存在，而获取的则是从universe数组中的第n个元素值。

这就是枚举实例的添加过程和获取原理。而对于JumboEnumSet的add实现则是如下：

public boolean add(E e) {
    typeCheck(e);
    //计算ordinal值
    int eOrdinal = e.ordinal();
    int eWordNum = eOrdinal >>> 6;

    long oldElements = elements[eWordNum];
    //与前面分析的位向量相同：a[i >> SHIFT ] |= (1 << (i & MASK))
    elements[eWordNum] |= (1L << eOrdinal);
    boolean result = (elements[eWordNum] != oldElements);
    if (result)
        size++;
    return result;
}

关于JumboEnumSet的add实现与RegularEnumSet区别是一个是long数组类型，一个long变量，运算原理相同，数组的位向量运算与前面分析的是相同的，这里不再分析。接着看看如何删除元素

//RegularEnumSet类实现
public boolean remove(Object e) {
    if (e == null)
        return false;
    Class eClass = e.getClass();
    if (eClass != elementType && eClass.getSuperclass() != elementType)
        return false;

    long oldElements = elements;
    //将int型变量j的第k个比特位设置为0，即j= j&~(1<>SHIFT] &= ~(1<<(i &MASK));

    elements &= ~(1L << ((Enum)e).ordinal());//long遍历类型操作
    return elements != oldElements;
}


//JumboEnumSet类的remove实现
public boolean remove(Object e) {
        if (e == null)
            return false;
        Class eClass = e.getClass();
        if (eClass != elementType && eClass.getSuperclass() != elementType)
            return false;
        int eOrdinal = ((Enum)e).ordinal();
        int eWordNum = eOrdinal >>> 6;

        long oldElements = elements[eWordNum];
        //与a[i>>SHIFT] &= ~(1<<(i &MASK));相同
        elements[eWordNum] &= ~(1L << eOrdinal);
        boolean result = (elements[eWordNum] != oldElements);
        if (result)
            size--;
        return result;
    }

删除remove的实现，跟位向量的清空操作是同样的实现原理，如下： 

至于JumboEnumSet的实现原理也是类似的，这里不再重复。下面为了简洁起见，我们以RegularEnumSet类的实现作为源码分析，毕竟JumboEnumSet的内部实现原理可以说跟前面分析过的位向量几乎一样。o~，看看如何判断是否包含某个元素

public boolean contains(Object e) {
    if (e == null)
        return false;
    Class eClass = e.getClass();
    if (eClass != elementType && eClass.getSuperclass() != elementType)
        return false;
    //先左移再按&操作
    return (elements & (1L << ((Enum)e).ordinal())) != 0;
}

public boolean containsAll(Collection c) {
    if (!(c instanceof RegularEnumSet))
        return super.containsAll(c);

    RegularEnumSet es = (RegularEnumSet)c;
    if (es.elementType != elementType)
        return es.isEmpty();
    //~elements取反相当于elements补集，再与es.elements进行&操作，如果为0，
    //就说明elements补集与es.elements没有交集，也就是es.elements是elements的子集
    return (es.elements & ~elements) == 0;
}

对于contains(Object e) 方法，先左移再按位与操作，不为0，则表示包含该元素，跟位向量的get操作实现原理类似，这个比较简单。对于containsAll(Collection c)则可能比较难懂，这里分析一下，elements变量(long类型)标记EnumSet集合中已存在元素的bit位，如果bit位为1则说明存在枚举实例，为0则不存在，现在执行~elements 操作后 则说明~elements是elements的补集，那么只要传递进来的es.elements与补集~elements 执行&操作为0，那么就可以证明es.elements与补集~elements 没有交集的可能，也就是说es.elements只能是elements的子集，这样也就可以判断出当前EnumSet集合中包含传递进来的集合c了，借着下图协助理解：

图中，elements代表A，es.elements代表S，~elements就是求A的补集，(es.elements & ~elements) == 0就是在验证A’∩B是不是空集，即S是否为A的子集。接着看retainAll方法，求两个集合交集

public boolean retainAll(Collection c) {
        if (!(c instanceof RegularEnumSet))
            return super.retainAll(c);

        RegularEnumSet es = (RegularEnumSet)c;
        if (es.elementType != elementType) {
            boolean changed = (elements != 0);
            elements = 0;
            return changed;
        }

        long oldElements = elements;
        //执行与操作，求交集，比较简单
        elements &= es.elements;
        return elements != oldElements;
    }

最后来看看迭代器是如何取值的

 public Iterator iterator() {
        return new EnumSetIterator<>();
    }

    private class EnumSetIterator> implements Iterator {
        //记录elements
        long unseen;

        //记录最后一个返回值
        long lastReturned = 0;

        EnumSetIterator() {
            unseen = elements;
        }

        public boolean hasNext() {
            return unseen != 0;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            if (unseen == 0)
                throw new NoSuchElementException();
            //取值过程，先与本身负执行&操作得出的就是二进制低位开始的第一个1的数值大小
            lastReturned = unseen & -unseen;
            //取值后减去已取得lastReturned
            unseen -= lastReturned;
            //返回在指定 long 值的二进制补码表示形式中最低位（最右边）的 1 位之后的零位的数量
            return (E) universe[Long.numberOfTrailingZeros(lastReturned)];
        }

        public void remove() {
            if (lastReturned == 0)
                throw new IllegalStateException();
            elements &= ~lastReturned;
            lastReturned = 0;
        }
    }

比较晦涩的应该是

//取值过程，先与本身负执行&操作得出的就是二进制低位开始的第一个1的数值大小
lastReturned = unseen & -unseen; 
//取值后减去已取得lastReturned
unseen -= lastReturned;
return (E) universe[Long.numberOfTrailingZeros(lastReturned)];

我们通过原理图来协助理解，现在假设集合中已保存所有可能的枚举实例变量，我们需要把它们遍历展示出来，下面的第一个枚举元素的获取过程，显然通过unseen & -unseen;操作，我们可以获取到二进制低位开始的第一个1的数值，该计算的结果是要么全部都是0，要么就只有一个1，然后赋值给lastReturned，通过Long.numberOfTrailingZeros(lastReturned)获取到该bit为1在64位的long类型中的位置，即从低位算起的第几个bit，如图，该bit的位置恰好是低位的第1个bit位置，也就指明了universe数组的第一个元素就是要获取的枚举变量。执行unseen -= lastReturned;后继续进行第2个元素的遍历，依次类推遍历出所有值，这就是EnumSet的取值过程，真正存储枚举变量的是universe数组，而通过long类型变量的bit位的0或1表示存储该枚举变量在universe数组的那个位置，这样做的好处是任何操作都是执行long类型变量的bit位操作，这样执行效率将特别高，毕竟是二进制直接执行，只有最终获取值时才会操作到数组universe。

ok~，到这关于EnumSet的实现原理主要部分我们就分析完了，其内部使用位向量，存储结构很简洁，节省空间，大部分操作都是按位运算，直接操作二进制数据，因此效率极高。当然通过前面的分析，我们也掌握位向量的运算原理。好~，关于java枚举，我们暂时聊到这。