Java BitSet 源码解析(2)

时间：2022-12-10 17:20:02

参考：

java.util.BitSet

Java BitSet类

查看类 ArrayList 中 removeIf 方法源码时，发现其使用 BitSet 类来存储待删除的元素下标

之前没有接触过这个类，了解之后发现其在数据查询和存储方面有很大用处

主要内容：

  1. BitSet 浅析
  2. 类变量和常量
  3. 构造器
  4. set
  5. clear -（2）
  6. get
  7. flip - (3)
  8. valueOf
  9. 位运算（and, andNot, or, xor）
  10. next
  11. previous - (4)
  12. 判空 / 判断交集
  13. 大小（length, size, cardinality）
  14. toByteArray 和 toLongArray
  15. BitSet 分析
  16. Java 素数查找
  17. 小结

clear

在前面的 set 方法中，如果设置位值为 false，那么会调用函数 clear

函数 clear 的功能是设置位值为 false，类 BitSet 提供了 3 种重载方式：

public void clear(int bitIndex)
public void clear(int fromIndex, int toIndex)
public void clear()
  • clear(int bitIndex)

源码如下：

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();
}

输入参数 bitIndex 表示位集下标

该函数功能是设置位集中下标为 bitIndex 的位值为 false

第一步：判断参数 bitIndex 是否小于 0，如果成立，抛出 IndexOutOfBoundsException 异常

第二步：定义变量 wordIndex 计算数组 words 中相对应的下标；并判断是否变量 wordIndex 在当前数组已使用个数范围内，如果不是，直接退出（因为默认为 false）

第三步：利用位左移运算符和位取反运算符计算掩码，然后对数组中下标 wordIndex 的值进行位与操作，设置该位值为 false

第四步：调用函数 recalculateWordsInUse 重新计算当前数组已使用个数；调用函数 checkInvariants 判断类变量是否符合条件

  • clear(int fromIndex, int toIndex)

源码如下：

public void clear(int fromIndex, int toIndex) {
    checkRange(fromIndex, toIndex);

    if (fromIndex == toIndex)
        return;

    int startWordIndex = wordIndex(fromIndex);
    if (startWordIndex >= wordsInUse)
        return;

    int endWordIndex = wordIndex(toIndex - 1);
    if (endWordIndex >= wordsInUse) {
        toIndex = length();
        endWordIndex = wordsInUse - 1;
    }

    long firstWordMask = WORD_MASK << fromIndex;
    long lastWordMask  = WORD_MASK >>> -toIndex;
    if (startWordIndex == endWordIndex) {
        // Case 1: One word
        words[startWordIndex] &= ~(firstWordMask & lastWordMask);
    } else {
        // Case 2: Multiple words
        // Handle first word
        words[startWordIndex] &= ~firstWordMask;

        // Handle intermediate words, if any
        for (int i = startWordIndex+1; i < endWordIndex; i++)
            words[i] = 0;

        // Handle last word
        words[endWordIndex] &= ~lastWordMask;
    }

    recalculateWordsInUse();
    checkInvariants();
}

该函数用于设置一段范围内的位值为 false

Note：该范围为 [fromIndex, toIndex)，不包括下标 toIndex 的位

使用方式和 set(int fromIndex, int toIndex) 类似

第一步：调用函数 checkRange 判断输入参数是否符合条件

第二步：判断输入参数 fromIndex 和 toIndex 是否相等，如果相等，直接退出

第三步：计算数组 words 中的起始下标 startWordIndex，如果该下标已超出当前数组 words 中已使用的个数，那么直接退出

第四步：计算数组 words 中的结束下标 endWordIndex，同样的，如果该下标已超出当前数组 words 中已使用的个数，那么调用函数 length() 计算当前已使用位集长度，赋值给 toIndex，同时设置 endWordIndex 值为数组已使用的最大下标

第五步：计算起始掩码 firstWordMask 和 结束掩码 lastWordMask，将其使用于位操作中

第六步：调用函数 recalculateWordsInUse 重新计算当前数组已使用个数；调用函数 checkInvariants 判断类变量是否符合条件

  • clear()

源码如下：

public void clear() {
    while (wordsInUse > 0)
        words[--wordsInUse] = 0;
}

该函数功能是设置位集所有位为 false

recalculateWordsInUse

源码如下：

private void recalculateWordsInUse() {
    // Traverse the bitset until a used word is found
    int i;
    for (i = wordsInUse-1; i >= 0; i--)
        if (words[i] != 0)
            break;

    wordsInUse = i+1; // The new logical size
}

该函数用于重新计算数组 words 中已使用的个数

get

如果想要获取位值，可以调用函数 get，类 BitSet 提供了 2 种重载方式：

public boolean get(int bitIndex)
public BitSet get(int fromIndex, int toIndex)
  • get(int bitIndex)

源码如下：

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);
}

该函数功能是得到位集中对应下标 bitIndex 的位值

第一步：判断输入参数是否符合条件，以及调用函数 checkInvariants 判断类变量是否符合条件（不太明白为啥要在这里弄这个）

第二步：计算位集下标对应的数组下标 wordIndex，进行逻辑与操作，如果下标 wordIndex 超出数组已使用范围，那么直接返回 false；否则，返回该位值

  • get(int fromIndex, int toIndex)

源码如下：

public BitSet get(int fromIndex, int toIndex) {
    checkRange(fromIndex, toIndex);

    checkInvariants();

    int len = length();

    // If no set bits in range return empty bitset
    if (len <= fromIndex || fromIndex == toIndex)
        return new BitSet(0);

    // An optimization
    if (toIndex > len)
        toIndex = len;

    BitSet result = new BitSet(toIndex - fromIndex);
    int targetWords = wordIndex(toIndex - fromIndex - 1) + 1;
    int sourceIndex = wordIndex(fromIndex);
    boolean wordAligned = ((fromIndex & BIT_INDEX_MASK) == 0);

    // Process all words but the last word
    for (int i = 0; i < targetWords - 1; i++, sourceIndex++)
        result.words[i] = wordAligned ? words[sourceIndex] :
            (words[sourceIndex] >>> fromIndex) |
            (words[sourceIndex+1] << -fromIndex);

    // Process the last word
    long lastWordMask = WORD_MASK >>> -toIndex;
    result.words[targetWords - 1] =
        ((toIndex-1) & BIT_INDEX_MASK) < (fromIndex & BIT_INDEX_MASK)
        ? /* straddles source words */
        ((words[sourceIndex] >>> fromIndex) |
         (words[sourceIndex+1] & lastWordMask) << -fromIndex)
        :
        ((words[sourceIndex] & lastWordMask) >>> fromIndex);

    // Set wordsInUse correctly
    result.wordsInUse = targetWords;
    result.recalculateWordsInUse();
    result.checkInvariants();

    return result;
}

该函数返回一个新的 BitSet 对象，用于保存当前位集中范围在 [fromIndex, toIndex) 的位值

第一步：调用函数 checkRange 检查输入参数是否符合条件，同时调用函数 checkInvariants 判断类变量是否符合条件

第二步：定义变量 len，计算位集大小，如果当前位集长度不大于起始下标 fromIndex 或者两个输入参数相等，那么创建一个空的 BitSet 对象并返回；如果终止下标大于当前位集大小，则设置终止下标 toIndex 大小为当前位集大小 len

第三步：创建类 BitSet 对象 result，初始位集大小为待取值的位集范围；定义变量 targetWords，赋值为待取值的位集转换成的长整型整数个数；定义变量 sourceIndex，计算当前数组 words 中对应的起始下标；定义变量 wordAligned，计算起始下标是否是 64 的整数倍

第四步：前面已经计算得出，待取值的位集可转换为 targetWords 个 long 型整数。先从当前数组 words 中取出前 targetWors-1 个位值，然后再取出剩余部分的位值

第五步：设置 result 的变量并返回

实例测试

下面输入具体参数来验证函数 get(int fromIndex, int toIndex) 的计算过程

首先创建类对象 bitSet，设置位集 [3, 200) 为 true

调用函数 get，输入参数 fromIndex = 5, toIndex = 147

0 < fromIndex < toIndex，所以符合函数 checkRange 判断条件

变量 len = 200，经过判断后，fromIndex 和 toIndex 的值不变

创建类对象 result = new BitSet(142)，定义变量 targetWords = wordIndex(147-5-1)+1 = 3，定义变量 sourceIndex = 0，定义变量 wordAligned = false

for 循环如下所示：

for (int i=0; i<2; i++,sourceIndex ++)
    ...

其中

result.words[0] = (words[0] >>> fromIndex) | (words[1] << -fromIndex) 
    = (0xfffffffffffffff8L >>> 00 0101) | (0xffffffffffffffffL << 11 1011) 
    = (words[0] >>> 5) | (words[1] << 59)
    = 0x7fffffffffffffffL | 0xf800000000000000L
    = 0xffffffffffffffffL

result.words[1] = (words[1] >>> fromIndex) | (words[2] << -fromIndex) 
    = (0xffffffffffffffffL >>> 00 0101) | (0xffffffffffffffffL << 11 1011) 
    = (words[0] >>> 5) | (words[1] << 59)
    = 0xffffffffffffffffL

现在处理最后一个 word

定义变量 

lastWordMask = WORD_MASK >>> -toIndex = 0xffffffffffffffffL >>> 10 1101 = WORD_MASK >>> 45 = 0x00000000000effffL

(toIndex-1) & BIT_INDEX_MASK) = 146 & 63 = 2^7+2^4+2 & 111111 = 1001 0010 & 0011 1111 = 0001 0010 = 18

fromIndex & BIT_INDEX_MASK = 5 & 63 = 0000 0101 & 0011 1111 = 0000 0101 = 5

所以最后一个值的计算公式为 

((words[sourceIndex] & lastWordMask) >>> fromIndex) = (0xffffffffffffffffL & 0x00000000000effffL) >>> 5
 = 0x00000000000effffL >>> 5 = 0x000000000003fffL

完整代码如下：

public static void main(String args[]) {
    BitSet bitSet = new BitSet();

    bitSet.set(3, 200);
    System.out.println(bitSet.cardinality());

    BitSet result = bitSet.get(5, 147);
    System.out.println(result.cardinality());

    long[] res = result.toLongArray();
    for (Long l : res) {
        System.out.println(Long.toHexString(l));
    }
}

Java BitSet 源码解析(2)

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