go数据结构和算法BitMap原理及实现示例

目录

• 1. BitMap介绍
• 如何判断数字在bit数组的位置
• 设置数据到bit数组
• 从bit数组中清除数据
• 数字是否在bit数组中
• 2. Go语言位运算
• 左移
• 右移
• 使用&^和位移运算来给某一位置0
• 3. BitMap的Go语言实现
• 定义
• 创建BitMap结构
• 将数据添加到BitMap
• 从BitMap中删除数据
• 判断BitMap中是否存在指定的数据

1. BitMap介绍

BitMap可以理解为通过一个bit数组来存储特定数据的一种数据结构。BitMap常用于对大量整形数据做去重和查询。
在这类查找中，我们可以通过map数据结构进行查找。但如果数据量比较大map数据结构将会大量占用内存。
BitMap用一个比特位来映射某个元素的状态，所以这种数据结构是非常节省存储空间的。

BitMap用途

• BitMap用于数据去重
  BitMap可用于数据的快速查找，判重。
• BitMap用于快速排序
  BitMap由于其本身的有序性和唯一性，可以实现快速排序：将其加入bitmap中，然后再遍历获取出来，从而得到排序的结果。

如何判断数字在bit数组的位置

在后面的代码中，我们使用[]byte来存储bit数据，由于一个byte有8个二进制位。因此：

• 数字/8=数字在字节数组中的位置。
• 数字%8=数字在当前字节中的位置。
  例如：数字10，
• 10/8=1，即数字10对应的字节数组的位置为：1
• 10%8=2，即数字10对应的当前字节的位置为：2

设置数据到bit数组

• num/8得到数字在字节数组中的位置 => row
• num%8得到数字在当前字节中的位置 => col
• 将1左移col位，然后和以前的数据做|运算，这样就可以将col位置的bit替换成1了。

从bit数组中清除数据

• num/8得到数字在字节数组中的位置 => row
• num%8得到数字在当前字节中的位置 => col
• 将1左移col位，然后对取反，再与当前值做&，这样就可以将col位置的bit替换成0了。

数字是否在bit数组中

• num/8得到数字在字节数组中的位置 => row
• num%8得到数字在当前字节中的位置 => col
• 将1左移col位，然后和以前的数据做&运算，若该字节的值!=0，则说明该位置是1，则数据在bit数组中，否则数据不在bit数组中。

2. Go语言位运算

在Go语言中支持以下几种操作位的方式：

• & 按位与：两者全为1结果为1，否则结果为0
• | 按位或：两者有一个为1结果为1，否则结果为0
• ^ 按位异或：两者不同结果为1，否则结果为0
• &^ 按位与非：是"与"和"非"操作符的简写形式
• << 按位左移：
• >> 按位右移：

左移

将二进制向左移动，右边空出的位用0填补，高位左移溢出则舍弃该高位。
由于每次移位数值会翻倍，所以通常用代替乘2操作。当然这是建立在移位没有溢出的情况。
例如：1<<3 相当于1×8=8，3<<4 相当于3×16=48

右移

将整数二进制向右移动，左边空出的位用0或者1填补。正数用0填补，负数用1填补。
负数在内存中的二进制最高位为符号位——使用1表示，所以为了保证移位之后符号位的正确性，所以需要在高位补1。
相对于左移来说，右移通常用来代替除2操作。
例如：24>>3 相当于24÷8=3

使用&^和位移运算来给某一位置0

这个操作符通常用于清空对应的标志位，例如 a = 0011 1010，如果想清空第二位，则可以这样操作:
a &^ 0000 0010 = 0011 1000

3. BitMap的Go语言实现

接下来我们给出BitMap的Go语言实现，目前代码已经上传到github中，下载地址

定义

首先给出BitMap结构的定义：

type BitMap struct {
    bits []byte
    vmax uint
}

创建BitMap结构

func NewBitMap(max_val ...uint) *BitMap {
    var max uint = 8192
    if len(max_val) > 0 && max_val[0] > 0 {
        max = max_val[0]
    }
    bm := &BitMap{}
    bm.vmax = max
    sz := (max + 7) / 8
    bm.bits = make([]byte, sz, sz)
    return bm
}

将数据添加到BitMap

func (bm *BitMap)Set(num uint) {
    if num > bm.vmax {
        bm.vmax += 1024
        if bm.vmax < num {
            bm.vmax = num
        }
        dd := int(num+7)/8 - len(bm.bits)
        if dd > 0 {
            tmp_arr := make([]byte, dd, dd)
            bm.bits = append(bm.bits, tmp_arr...)
        }
    }
    //将1左移num%8后，然后和以前的数据做|，这样就替换成1了
    bm.bits[num/8] |= 1 << (num%8)
}

从BitMap中删除数据

func (bm *BitMap)UnSet(num uint) {
    if num > bm.vmax {
        return
    }
    //&^:将1左移num%8后，然后进行与非运算，将运算符左边数据相异的位保留，相同位清零
    bm.bits[num/8] &^= 1 << (num%8)
}

判断BitMap中是否存在指定的数据

func (bm *BitMap)Check(num uint) bool {
    if num > bm.vmax {
        return false
    }
    //&:与运算符，两个都是1，结果为1
    return bm.bits[num/8] & (1 << (num%8)) != 0
}

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