Java实现Bitmap

bitmap是很有用的结构。所谓的bitmap就是用一个bit位来标记某个元素，而数组下标是该元素。bitmap经常用在大数据的题中，比如10亿个int类型的数，如果用int数组存储的话，那么需要大约4G内存，浪费内存。如果用bitmap解决，就比较方便。bitmap可以用int来模拟，也可以用byte来模拟，它只是逻辑上的概念，在java语言中写不出来，我们同时采用int和byte模拟。

采用byte的方法：（转载自Java中Bitmap的实现）

一个byte占8个bit，如果每一个bit的值是有或者没有，即1或0，则如下图所示：

对于这个例子，原文没有解释，个人理解：byte数组的长度是不是取决于int数组的最大值，例如这里最大值是11，所以byte数组的长度等于11/8 + 1 = 2。但是这样好像又跟出发点是大数据的长度矛盾了（写这篇博文的时候这个地方还有待确认）

bitmap代码实现

第一步：构建特定长度的byte数组（new byte[capacity/8 + 1]），其中capacity为整数数组长度（如：10亿个数字等）

byte[] bits = new byte[getIndex(n) + 1];

如果是上图中的例子，则byte的长度为1。

第二步：计算数字num在byte[]中的位置（num/8和num >> 3一样），也就是说num在byte[k]，算这个k是几

/**
     * num/8得到byte[]的index
     * @param num
     * @return
     */
    public int getIndex(int num){
        return num >> 3;
    }

同样，对于上图的例子，int数组的第一个元素1，对应于在byte数组的0，即在byte[0]这个某种意义上可以称为“行”内。

第三步：计算数字num在byte[index]中的位置，就是在byte[index]的第几位，每个byte有8位（num % 8）

/**
     * num%8得到在byte[index]的位置
     * @param num
     * @return
     */
    public int getPosition(int num){
        return num % 8;
    }

同样，对于上图的例子，int数组的第一个元素1，对应于在byte数组的0，即在byte[0]这个某种意义上可以称为“行”内。然后，取模后对应byte[0]的第1位。

第四步：将所在位置从0变成1，其它位置不变

/**
     * 标记指定数字（num）在bitmap中的值，标记其已经出现过
     * 将1左移position后，那个位置自然就是1，然后和以前的数据做|，这样，那个位置就替换成1了
     * @param bits
     * @param num
     */
    public void add(byte[] bits, int num){
        bits[getIndex(num)] |= 1 << getPosition(num);
    }

bits[0]有8个bit，getPosition(1)的值是1，所以1左移1位的结果就是二进制的“1”位置为1（整数1的二进制位0000 0001，左移1位后变为0000 0010）。同时，做或运算后，如果某一位上的值变为1，则或运算操作后那个位置就替换成1了。

第五步：判断指定数字num是否存在

/**
     * 判断指定数字num是否存在<br/>
     * 将1左移position后，那个位置自然就是1，然后和以前的数据做&，判断是否为0即可
     * @param bits
     * @param num
     * @return
     */
    public boolean contains(byte[] bits, int num){
        return (bits[getIndex(num)] & 1 << getPosition(num)) != 0;
    }

第六步：重置某一数字对应在bitmap中的值

/**
     * 重置某一数字对应在bitmap中的值<br/>
     * 对1进行左移，然后取反，最后与byte[index]作与操作。
     * @param bits
     * @param num
     */
    public void clear(byte[] bits, int num){
        bits[getIndex(num)] &= ~(1 << getPosition(num));
    }

全部代码如下：

public class Test {

    /**
     * 创建bitmap数组
     */
    public byte[] create(int n){
        byte[] bits = new byte[getIndex(n) + 1];
        
        for(int i = 0; i < n; i++){
            add(bits, i);
        }
        
        System.out.println(contains(bits, 11));
        
        int index = 1;
        for(byte bit : bits){
            System.out.println("-------" + index++ + "-------");
            showByte(bit);

        }
        
        return bits;
    }
    
    /**
     * 标记指定数字（num）在bitmap中的值，标记其已经出现过<br/>
     * 将1左移position后，那个位置自然就是1，然后和以前的数据做|，这样，那个位置就替换成1了
     * @param bits
     * @param num
     */
    public void add(byte[] bits, int num){
        bits[getIndex(num)] |= 1 << getPosition(num);
    }
    
    /**
     * 判断指定数字num是否存在<br/>
     * 将1左移position后，那个位置自然就是1，然后和以前的数据做&，判断是否为0即可
     * @param bits
     * @param num
     * @return
     */
    public boolean contains(byte[] bits, int num){
        return (bits[getIndex(num)] & 1 << getPosition(num)) != 0;
    }
    
    /**
     * num/8得到byte[]的index
     * @param num
     * @return
     */
    public int getIndex(int num){
        return num >> 3;
    }
    
    /**
     * num%8得到在byte[index]的位置
     * @param num
     * @return
     */
    public int getPosition(int num){
        return num & 0x07;
    }
    
    /**
     * 重置某一数字对应在bitmap中的值<br/>
     * 对1进行左移，然后取反，最后与byte[index]作与操作。
     * @param bits
     * @param num
     */
    public void clear(byte[] bits, int num){
        bits[getIndex(num)] &= ~(1 << getPosition(num));
    }
    
    /**
     * 打印byte类型的变量<br/>
     * 将byte转换为一个长度为8的byte数组，数组每个值代表bit
     */
    
    public void showByte(byte b){
        byte[] array = new byte[8];
        for(int i = 7; i >= 0; i--){
            array[i] = (byte)(b & 1);
            b = (byte)(b >> 1);
        }
        
        for (byte b1 : array) {
            System.out.print(b1);
            System.out.print(" ");
        }
        
        System.out.println();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        int n = 100;
        new Test().create(n);
    }
}

结果如图，一共100个数：（PS 这个运行case好像也不是很好，这样也看不出来什么）

采用int的方法：思想如byte，因为int是32位的，故只需要把8换成32即可。