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Golang中Bit数组的实现方式

时间:2021-06-09 00:55     来源/作者:天易独尊

Go语言里的集合一般会用map[T]bool这种形式来表示,T代表元素类型。集合用map类型来表示虽然非常灵活,但我们可以以一种更好的形式来表示它。

例如在数据流分析领域,集合元素通常是一个非负整数,集合会包含很多元素,并且集合会经常进行并集、交集操作,这种情况下,bit数组会比map表现更加理想。

一个bit数组通常会用一个无符号数或者称之为“字”的slice来表示,每一个元素的每一位都表示集合里的一个值。当集合的第i位被设置时,我们才说这个集合包含元素i。

下面的这个程序展示了一个简单的bit数组类型,并且实现了三个函数来对这个bit数组来进行操作:

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package main
import (
    "bytes"
    "fmt"
)
// An IntSet is a set of small non-negative integers.
// Its zero value represents the empty set.
type IntSet struct {
    words []uint
}
const (
    bitNum = (32 << (^uint(0) >> 63)) //根据平台自动判断决定是32还是64
)
// Has reports whether the set contains the non-negative value x.
func (s *IntSet) Has(x int) bool {
    word, bit := x/bitNum, uint(x%bitNum)
    return word < len(s.words) && s.words[word]&(1<<bit) != 0
}
// Add adds the non-negative value x to the set.
func (s *IntSet) Add(x int) {
    word, bit := x/bitNum, uint(x%bitNum)
    for word >= len(s.words) {
        s.words = append(s.words, 0)
    }
    s.words[word] |= 1 << bit
}
//A与B的交集,合并A与B
// UnionWith sets s to the union of s and t.
func (s *IntSet) UnionWith(t *IntSet) {
    for i, tword := range t.words {
        if i < len(s.words) {
            s.words[i] |= tword
        } else {
            s.words = append(s.words, tword)
        }
    }
}

因为每一个字都有64个二进制位,所以为了定位x的bit位,我们用了x/64的商作为字的下标,并且用x%64得到的值作为这个字内的bit的所在位置。

例如,对于数字1,将其加入比特数组:

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func (s *IntSet) Add(x int) {
 word, bit := x/bitNum, uint(x%bitNum) //0, 1 := 1/64, uint(1%64)
 for word >= len(s.words) { // 条件不满足
  s.words = append(s.words, 0)
 }
 s.words[word] |= 1 << bit // s.words[0] |= 1 << 1
}
// 把1存入后,words数组变为了[]uint64{2}

同理,假如我们再将66加入比特数组:

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func (s *IntSet) Add(x int) {
 word, bit := x/bitNum, uint(x%bitNum) //1, 2 := 66/64, uint(66%64)
 for word >= len(s.words) { // 条件满足
  s.words = append(s.words, 0) // 此时s.words = []uint64{2, 0}
 }
 s.words[word] |= 1 << bit // s.words[1] |= 1 << 2
}
// 继续把66存入后,words数组变为了[]uint64{2, 4}

所以,对于words,每个元素可存储的值有64个,每超过64个则进位,即添加一个元素。(注意,0也占了一位,所以64才要进位,第一个元素可存储0-63)。

所以,对于words中的一个元素,要转换为具体的值时:首先取到其位置i,用 64 * i 作为已进位数(类似于每10位要进位), 然后将这个元素转换为二进制数,从右往左数,第多少位为1则表示相应的有这个值,用这个位数 x+64 *i 即为我们存入的值。

相应的,可有如下String()函数

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// String returns the set as a string of the form "{1 2 3}".
func (s *IntSet) String() string {
 var buf bytes.Buffer
 buf.WriteByte('{')
 for i, word := range s.words {
  if word == 0 {
   continue
  }
  for j := 0; j < bitNum; j++ {
   if word&(1<<uint(j)) != 0 {
    if buf.Len() > len("{") {
     buf.WriteByte(' ')
    }
    fmt.Fprintf(&buf, "%d", bitNum*i+j)
   }
  }
 }
 buf.WriteByte('}')
 return buf.String()
}

例如,前面存入了1和66后,转换过程为:

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// []uint64{2 4}
// 对于2: 1 << 1 = 2; 所以 x = 0 * 64 + 1
// 对于4: 1 << 2 = 4; 所以 x = 1 * 64 + 2
// 所以转换为String为{1 66}

实现比特数组的其他方法函数

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func (s *IntSet) Len() int {
    var len int
    for _, word := range s.words {
        for j := 0; j < bitNum; j++ {
            if word&(1<<uint(j)) != 0 {
                len++
            }
        }
    }
    return len
}
func (s *IntSet) Remove(x int) {
    word, bit := x/bitNum, uint(x%bitNum)
    if s.Has(x) {
        s.words[word] ^= 1 << bit
    }
}
func (s *IntSet) Clear() {
    s.words = append([]uint{})
}
func (s *IntSet) Copy() *IntSet {
    intSet := &IntSet{
        words: []uint{},
    }
    for _, value := range s.words {
        intSet.words = append(intSet.words, value)
    }
    return intSet
}
func (s *IntSet) AddAll(args ...int) {
    for _, x := range args {
        s.Add(x)
    }
}
//A与B的并集,A与B中均出现
func (s *IntSet) IntersectWith(t *IntSet) {
    for i, tword := range t.words {
        if i >= len(s.words) {
            continue
        }
        s.words[i] &= tword
    }
}
//A与B的差集,元素出现在A未出现在B
func (s *IntSet) DifferenceWith(t *IntSet) {
    t1 := t.Copy() //为了不改变传参t,拷贝一份
    t1.IntersectWith(s)
    for i, tword := range t1.words {
        if i < len(s.words) {
            s.words[i] ^= tword
        }
    }
}
//A与B的并差集,元素出现在A没有出现在B,或出现在B没有出现在A
func (s *IntSet) SymmetricDifference(t *IntSet) {
    for i, tword := range t.words {
        if i < len(s.words) {
            s.words[i] ^= tword
        } else {
            s.words = append(s.words, tword)
        }
    }
}
//获取比特数组中的所有元素的slice集合
func (s *IntSet) Elems() []int {
    var elems []int
    for i, word := range s.words {
        for j := 0; j < bitNum; j++ {
            if word&(1<<uint(j)) != 0 {
                elems = append(elems, bitNum*i+j)
            }
        }
    }
    return elems
}

至此,比特数组的常用方法函数都已实现,现在可以来使用它。

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func main() {
    var x, y IntSet
    x.Add(1)
    x.Add(144)
    x.Add(9)
    fmt.Println("x:", x.String()) // "{1 9 144}"
    y.Add(9)
    y.Add(42)
    fmt.Println("y:", y.String()) // "{9 42}"
    x.UnionWith(&y)
    fmt.Println("x unionWith y:", x.String())         // "{1 9 42 144}"
    fmt.Println("x has 9,123:", x.Has(9), x.Has(123)) // "true false"
    fmt.Println("x len:", x.Len())                    //4
    fmt.Println("y len:", y.Len())                    //2
    x.Remove(42)
    fmt.Println("x after Remove 42:", x.String()) //{1 9 144}
    z := x.Copy()
    fmt.Println("z copy from x:", z.String()) //{1 9 144}
    x.Clear()
    fmt.Println("clear x:", x.String()) //{}
    x.AddAll(1, 2, 9)
    fmt.Println("x addAll 1,2,9:", x.String()) //{1 2 9}
    x.IntersectWith(&y)
    fmt.Println("x intersectWith y:", x.String()) //{9}
    x.AddAll(1, 2)
    fmt.Println("x addAll 1,2:", x.String()) //{1 2 9}
    x.DifferenceWith(&y)
    fmt.Println("x differenceWith y:", x.String()) //{1 2}
    x.AddAll(9, 144)
    fmt.Println("x addAll 9,144:", x.String()) //{1 2 9 144}
    x.SymmetricDifference(&y)
    fmt.Println("x symmetricDifference y:", x.String()) //{1 2 42 144}
    for _, value := range x.Elems() {
        fmt.Print(value, " ") //1 2 42 144
    }
}

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持服务器之家。如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教。

原文链接:https://blog.csdn.net/qq_34434641/article/details/80418124

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