Java枚举类型(enum)-6

EnumSet

EnumSet是与枚举类型一起使用的专用 Set 集合，EnumSet 中所有元素都必须是枚举类型。与其他Set接口的实现类HashSet/TreeSet(内部都是用对应的HashMap/TreeMap实现的)不同的是，EnumSet在内部实现是位向量(稍后分析)，它是一种极为高效的位运算操作，由于直接存储和操作都是bit，因此EnumSet空间和时间性能都十分可观，足以媲美传统上基于 int 的“位标志”的运算，重要的是我们可像操作set集合一般来操作位运算，这样使用代码更简单易懂同时又具备类型安全的优势。注意EnumSet不允许使用 null 元素。试图插入 null 元素将抛出 NullPointerException，但试图测试判断是否存在null 元素或移除 null 元素则不会抛出异常，与大多数collection 实现一样，EnumSet不是线程安全的，因此在多线程环境下应该注意数据同步问题，ok~，下面先来简单看看EnumSet的使用方式。

EnumSet用法

创建EnumSet并不能使用new关键字，因为它是个抽象类，而应该使用其提供的静态工厂方法，EnumSet的静态工厂方法比较多，如下：

创建一个具有指定元素类型的空EnumSet。
EnumSet<E>  noneOf(Class<E> elementType)       
//创建一个指定元素类型并包含所有枚举值的EnumSet
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> allOf(Class<E> elementType)
// 创建一个包括枚举值中指定范围元素的EnumSet
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> range(E from, E to)
// 初始集合包括指定集合的补集
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> complementOf(EnumSet<E> s)
// 创建一个包括参数中所有元素的EnumSet
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3, E e4)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3, E e4, E e5)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E first, E... rest)
//创建一个包含参数容器中的所有元素的EnumSet
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> copyOf(EnumSet<E> s)
<E extends Enum<E>> EnumSet<E> copyOf(Collection<E> c)

代码演示如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.EnumSet;
import java.util.List;


enum Color {
    GREEN , RED , BLUE , BLACK , YELLOW
}


public class EnumSetDemo {

    public static void main(String[] args){

        //空集合
        EnumSet<Color> enumSet= EnumSet.noneOf(Color.class);
        System.out.println("添加前："+enumSet.toString());
        enumSet.add(Color.GREEN);
        enumSet.add(Color.RED);
        enumSet.add(Color.BLACK);
        enumSet.add(Color.BLUE);
        enumSet.add(Color.YELLOW);
        System.out.println("添加后："+enumSet.toString());

        System.out.println("-----------------------------------");

        //使用allOf创建包含所有枚举类型的enumSet，其内部根据Class对象初始化了所有枚举实例
        EnumSet<Color> enumSet1= EnumSet.allOf(Color.class);
        System.out.println("allOf直接填充："+enumSet1.toString());

        System.out.println("-----------------------------------");

        //初始集合包括枚举值中指定范围的元素
        EnumSet<Color> enumSet2= EnumSet.range(Color.BLACK,Color.YELLOW);
        System.out.println("指定初始化范围："+enumSet2.toString());

        System.out.println("-----------------------------------");

        //指定补集，也就是从全部枚举类型中去除参数集合中的元素，如下去掉上述enumSet2的元素
        EnumSet<Color> enumSet3= EnumSet.complementOf(enumSet2);
        System.out.println("指定补集："+enumSet3.toString());

        System.out.println("-----------------------------------");

        //初始化时直接指定元素
        EnumSet<Color> enumSet4= EnumSet.of(Color.BLACK);
        System.out.println("指定Color.BLACK元素："+enumSet4.toString());
        EnumSet<Color> enumSet5= EnumSet.of(Color.BLACK,Color.GREEN);
        System.out.println("指定Color.BLACK和Color.GREEN元素："+enumSet5.toString());

        System.out.println("-----------------------------------");

        //复制enumSet5容器的数据作为初始化数据
        EnumSet<Color> enumSet6= EnumSet.copyOf(enumSet5);
        System.out.println("enumSet6："+enumSet6.toString());

        System.out.println("-----------------------------------");

        List<Color> list = new ArrayList<Color>();
        list.add(Color.BLACK);
        list.add(Color.BLACK);//重复元素
        list.add(Color.RED);
        list.add(Color.BLUE);
        System.out.println("list:"+list.toString());

        //使用copyOf(Collection<E> c)
        EnumSet enumSet7=EnumSet.copyOf(list);
        System.out.println("enumSet7:"+enumSet7.toString());

        /**
         输出结果：
         添加前：[]
         添加后：[GREEN, RED, BLUE, BLACK, YELLOW]
         -----------------------------------
         allOf直接填充：[GREEN, RED, BLUE, BLACK, YELLOW]
         -----------------------------------
         指定初始化范围：[BLACK, YELLOW]
         -----------------------------------
         指定补集：[GREEN, RED, BLUE]
         -----------------------------------
         指定Color.BLACK元素：[BLACK]
         指定Color.BLACK和Color.GREEN元素：[GREEN, BLACK]
         -----------------------------------
         enumSet6：[GREEN, BLACK]
         -----------------------------------
         list:[BLACK, BLACK, RED, BLUE]
         enumSet7:[RED, BLUE, BLACK]
         */
    }

}

noneOf(Class<E> elementType)静态方法，主要用于创建一个空的EnumSet集合，传递参数elementType代表的是枚举类型的类型信息，即Class对象。EnumSet<E> allOf(Class<E> elementType)静态方法则是创建一个填充了elementType类型所代表的所有枚举实例，奇怪的是EnumSet提供了多个重载形式的of方法，最后一个接受的的是可变参数，其他重载方法则是固定参数个数，EnumSet之所以这样设计是因为可变参数的运行效率低一些，所有在参数数据不多的情况下，强烈不建议使用传递参数为可变参数的of方法，即EnumSet<E> of(E first, E... rest)，其他方法就不分析了，看代码演示即可。至于EnumSet的操作方法，则与set集合是一样的，可以看API即可这也不过多说明。什么时候使用EnumSet比较恰当的，事实上当需要进行位域运算，就可以使用EnumSet提到位域，如下：

public class EnumSetDemo {
    //定义位域变量
    public static final int TYPE_ONE = 1 << 0 ; //1
    public static final int TYPE_TWO = 1 << 1 ; //2
    public static final int TYPE_THREE = 1 << 2 ; //4
    public static final int TYPE_FOUR = 1 << 3 ; //8
    public static void main(String[] args){
        //位域运算
        int type= TYPE_ONE | TYPE_TWO | TYPE_THREE |TYPE_FOUR;
    }
}

诸如上述情况，我们都可以将上述的类型定义成枚举然后采用EnumSet来装载，进行各种操作，这样不仅不用手动编写太多冗余代码，而且使用EnumSet集合进行操作也将使代码更加简洁明了。

enum Type{
    TYPE_ONE,TYPE_TWO,TYPE_THREE,TYPE_FOUR 
}

public class EnumSetDemo {
    public static void main(String[] args){
    EnumSet set =EnumSet.of(Type.TYPE_ONE,Type.TYPE_FOUR);
    }
}

其实博主认为EnumSet最有价值的是其内部实现原理，采用的是位向量，它体现出来的是一种高效的数据处理方式，这点很值得我们去学习它。

EnumSet实现原理剖析

关于EnumSet实现原理可能会有点烧脑，内部执行几乎都是位运算，博主将尽力使用图片来分析，协助大家理解。

理解位向量

在分析EnumSet前有必要先了解以下位向量，顾名思义位向量就是用一个bit位(0或1)标记一个元素的状态，用一组bit位表示一个集合的状态，而每个位对应一个元素，每个bit位的状态只可能有两种，即0或1。位向量能表示的元素个数与向量的bit位长度有关，如一个int类型能表示32个元素，而一个long类型则可以表示64个元素，对于EnumSet而言采用的就long类型或者long类型数组。比如现在有一个文件中的数据，该文件存储了N=1000000个无序的整数，需要把这些整数读取到内存并排序再重新写回文件中，该如何解决？最简单的方式是用int类型来存储每个数，并把其存入到数组(int a[m])中，再进行排序，但是这种方式将会导致存储空间异常大，对数据操作起来效率也能成问题，那有没更高效的方式呢？的确是有的，那就是运用位向量，我们知道一个int型的数有4个字节，也就是32位，那么我们可以用N/32个int型数组来表示这N个数：

a[0]表示第1~32个数（0~31）
a[1]表示第33~64个数（32~63）
a[2]表示第65~96个数（64~95）
...... 以此类推

这样，每当输入一个数字m，我们应该先找到该数字在数组的第？个元素，也就是a[?]，然后再确定在这个元素的第几个bit位，找到后设置为1，代表存在该数字。举个例子来说，比如输入40，那么40/32为1余8，则应该将a[1]元素值的第9个bit位置为1(1的二进制左移8位后就是第9个位置)，表示该数字存在，40数字的表示原理图过程如下：

大概明白了位向量表示方式后，上述过程的计算方式，通过以下方式可以计算该数存储在数组的第?个元素和元素中第?个bit位置,为了演示方便，我们这里假设整第?个元素中的?为P，余值设置S

//m 除以 2^n 则商(P)表示为 m >> n 
//等同于 m / 2^5 取整数 即：40 / 32 = 1 ，那么P=1就是数组中第2个元素，即a[1]

//位操作过程如下，40的二进制
00000000 00000000 00000000 00101000

//右移5位即 n=5 ， m >> 5 ，即结果转为10进制就是P=1
00000000 00000000 00000000 00000001

在这里我们使用的int类型，即32位，所有2^5=32，因此n=5，由此计算出 P的值代表的是数组的第 P 个元素，接着利用下述方式计算出余数（S），以此设置该元素值的第（S+1）个bit位为1

//m 除以2^n 的余数(S)表示为 m & (2^n-1) 
//等同于： m % 2^5 取余数 即：40 % 32 = 8

//m=40的二进制
00000000 00000000 00000000 00101000

//2^n-1（31）的二进制
00000000 00000000 00000000 00011111

// m & (2^n-1) 即40与31进行与操作得出余数 即 S=8
00000000 00000000 00000000 00001000 

//下面是将a[1]元素值的第(8+1)个bit设置为1，为什么是(8+1)不是8？因为1左移8位就在第9个bit位了，过程如下：

//1的二进制如下：
00000000 00000000 00000000 00000001

//1 << 8 利用余数8对1进行左移动
00000000 00000000 00000001 0000000 

//然后再与a[1]执行或操作后就可以将对应的bit位设置为1
//a[P] |= 1 << S 见下述java实现的代码

通过上述二进制位运算过程(关于位运算可以看博主的另一篇博文~java位运算)就可以计算出整数部分P和余数部分S，并成功设置bit位为1，现在利用java来实现这个运算过程如下：

//定义变量
private int[] a; //数组存储元素的数组
private int BIT_LENGTH = 32;//默认使用int类型
private int P; //整数部分
private int S; //余数
private int MASK =  0x1F;// 2^5 - 1
private int SHIFT = 5; // 2^n SHIFT=n=5 表示2^5=32 即bit位长度32

计算代码

/**
 * 置位操作,添加操作
 * @param i
 */
public void set(int i){
     P = i >> SHIFT; //结果等同  P = i / BIT_LENGTH; 取整数 ①
     S = i & MASK;   //结果等同  S = i % BIT_LENGTH; 取余数 ②

     a[P] |= 1 << S;  //赋值设置该元素bit位为1               ③
     //将int型变量j的第k个比特位设置为1， 即j=j|(1<<k),上述3句合并为一句
     //a[i >> SHIFT ] |= (1 << (i & MASK));               ④
 }

计算出P和S后，就可以进行赋值了，其中 a[P]代表数组中第P个元素，a[P] |= 1 << S 整句意思是把a[P]元素的第S+1位设置为1，注意从低位到高位设置，即从右到左，①②③合并为④，代码将更佳简洁。当然有添加操作，那么就会有删除操作，删除操作过程与添加类似，只不过删除是把相对应的bit位设置0，代表不存在该数值。

/**
* 置0操作，相当于清除元素
* @param i
*/
public void clear(int i){
   P =  i >> SHIFT; //计算位于数组中第？个元素 P = i / BIT_LENGTH;
   S =  i & MASK;   //计算余数  S = i % BIT_LENGTH;
   //把a[P]元素的第S+1个(从低位到高位)bit位设置为0
   a[P] &= ~(1 << S);

   //更优写法
   //将int型变量j的第k个比特位设置为0，即j= j&~(1<<k)
   //a[i>>SHIFT] &= ~(1<<(i &MASK));
}

与添加唯一不同的是，计算出余数S，利用1左移S位，再取反(~)操作，最后进行与(&)操作，即将a[P]元素的第S+1个(从低位到高位)bit位设置为0，表示删除该数字，这个计算过程大家可以自行推算一下。这就是位向量表示法的添加和清除方法，然后我们可以利用下述的get方法判断某个bit是否存在某个数字：

/**
 * 读取操作，返回1代表该bit位有值，返回0代表该bit位没值
 * @param i
 * @return
 */
public int get(int i){
    //a[i>>SHIFT] & (1<<(i&MASK));
    P = i >> SHIFT;
    S = i &  MASK;
    return Integer.bitCount(a[P] & (1 << S));
}

其中Integer.bitCount()是返回指定 int 值的二进制补码(计算机数字的二进制表示法都是使用补码表示的)表示形式的 1 位的数量。位向量运算整体代码实现如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;

/**
 * 位向量存储数据
 */
public class BitVetory {
    private int count;
    private int[] a; //数组
    private int BIT_LENGTH = 32;//默认使用int类型
    private int P; //整数部分
    private int S; //余数
    private int MASK =  0x1F;// 2^5 - 1
    private int SHIFT = 5; // 2^n SHIFT=n=5 表示2^5=32 即bit位长度32

    /**
     * 初始化位向量
     * @param count
     */
    public BitVetory(int count) {
        this.count = count;
        a = new int[(count-1)/BIT_LENGTH + 1];
        init();
    }

    /**
     * 将数组中元素bit位设置为0
     */
    public void init(){
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            clear(i);
        }
    }

    /**
     * 获取排序后的数组
     * @return
     */
    public List<Integer> getSortedArray(){
        List<Integer> sortedArray = new ArrayList<Integer>();

        for (int i = 0; i < count; i++) {
            if (get(i) == 1) {//判断i是否存在
                sortedArray.add(i);
            }
        }
        return sortedArray;
    }
    /**
     * 置位操作,设置元素
     * @param i
     */
    public void set(int i){
        P = i >> SHIFT; //P = i / BIT_LENGTH; 取整数
        S = i & MASK; //S = i % BIT_LENGTH; 取余数
        a[P] |= 1 << S;

        //将int型变量j的第k个比特位设置为1， 即j=j|(1<<k),上述3句合并为一句
        //a[i >> SHIFT ] |= (1 << (i & MASK));
    }

    /**
     * 置0操作，相当于清除元素
     * @param i
     */
    public void clear(int i){
        P =  i >> SHIFT; //计算位于数组中第？个元素 P = i / BIT_LENGTH;
        S =  i & MASK;   //计算余数  S = i % BIT_LENGTH;
        a[P] &= ~(1 << S);

        //更优写法
        //将int型变量j的第k个比特位设置为0，即j= j&~(1<<k)
        //a[i>>SHIFT] &= ~(1<<(i &MASK));
    }

    /**
     * 读取操作，返回1代表该bit位有值，返回0代表该bit位没值
     * @param i
     * @return
     */
    public int get(int i){
        //a[i>>SHIFT] & (1<<(i&MASK));
        P = i >> SHIFT;
        S = i &  MASK;
        return Integer.bitCount(a[P] & (1 << S));
    }

    //测试
    public static void main(String[] args) {
        int count = 25;
        List<Integer> randoms = getRandomsList(count);
        System.out.println("排序前：");

        BitVetory bitVetory = new BitVetory(count);
        for (Integer e : randoms) {
            System.out.print(e+",");
            bitVetory.set(e);
        }

        List<Integer> sortedArray = bitVetory.getSortedArray();
        System.out.println();
        System.out.println("排序后：");
        for (Integer e : sortedArray) {
            System.out.print(e+",");
        }

        /**
         输出结果:
         排序前：
         6,3,20,10,18,15,19,16,13,4,21,22,24,2,14,5,12,7,23,8,1,17,9,11,
         排序后：
         1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,
         */
    }

    private static List<Integer> getRandomsList(int count) {
        Random random = new Random();

        List<Integer> randomsList = new ArrayList<Integer>();
        while(randomsList.size() < (count - 1)){
            int element = random.nextInt(count - 1) + 1;//element ∈  [1,count)
            if (!randomsList.contains(element)) {
                randomsList.add(element);
            }
        }
        return randomsList;
    }
}

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