JDK源码 - BitSet的实现

最新推荐文章于 2024-12-29 12:30:33 发布

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本文深入探讨了Java中BitSet类的内部实现机制，包括如何使用long数组表示位图、对象构造过程及get方法的工作原理，并指出了BitSet类的一些潜在缺陷。

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java.util.BitSet是个很有趣的类，了解其内部实现对正确的使用非常重要。

对象构造：

private final static int ADDRESS_BITS_PER_WORD = 6;
private final static int BITS_PER_WORD = 1 << ADDRESS_BITS_PER_WORD;
private long[] words;

private static int wordIndex(int bitIndex) {
	return bitIndex >> ADDRESS_BITS_PER_WORD;
}

private void initWords(int nbits) {
	words = new long[wordIndex(nbits-1) + 1];
}

public BitSet() {
	initWords(BITS_PER_WORD);
	...
}

public BitSet(int nbits) {
	...
	initWords(nbits);
	...
}

从贴出来的代码可以看出，long[] words这个数组是BitSet内部的关键实现，如果用户在构造函数中输入一个nbits变量，initWords方法会把这个数减1再右移6位加1，按照这个长度产生words数组的长度。
如果是输入的28，那么words的长度是1，
如果是输入的2^6 = 64，那么words的长度是1，
如果是输入的2^6+1 = 65，那么words的长度是2，
如果是输入的(2^6)*2 = 128，那么words的长度是2，
如果是输入的(2^6)*2+1 = 129，那么words的长度是3，
如果是输入的(2^6)*3 = 192，那么words的长度是3，
如果是输入的(2^6)*3+1 = 193，那么words的长度是4，
...

到这里已经很清楚了，BitSet用long类型表示“位图”，因为一个long是64bit，所以每个long表示64个数据，也就是说：数组中words中的第一个long表示0~63，第二个long表示64~127，第三个long表示128~191 ...

再看看get函数，检测某个数是否被置位：

public boolean get(int bitIndex) {
	if (bitIndex < 0)
		throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " + bitIndex);
...
	int wordIndex = wordIndex(bitIndex);
	return (wordIndex < wordsInUse)
		&& ((words[wordIndex] & (1L << bitIndex)) != 0);
}

说明：
- wordsInUse变量主要用来控制long的容量，当set的数值过大时，BitSet类可以扩充words数组的长度，这一点和很多集合类（例如ArrayList，HashMap）是相似的
- 下面的语句值得注意：
1L << bitIndex
一般看到这条语句，会认为bitIndex如果超过64位，高位会溢出并得到返回0，事实上这个1会重新循环到低位，也就是说:
1L << 64 返回为1。
术语上这叫循环左移，经过检测java同样支持循环右移，运行下面的测试：

	for (int i = 0;i < 70 ;i++)
		System.out.println(i + " =" + (1 >> i));

在i为0，32，64时，(1 >> i)重新为1，搞位运算编程的需要注意这个陷阱。

[color=red]注：经过仔细考虑和试验，这里不是循环左移和循环右移，是一种比较“奇怪”的实现，回头写写这个问题。[/color]

[b]BitSet类的一个缺陷：[/b]
size方法属于类的内部实现细节，导出成公有方法会让不了解实现细节的开发人员很迷惑。

public int size() {
	return words.length * BITS_PER_WORD;
}

例如：开发人员可能通过bitset.set(100)设置位，然后调用bitset.size()，如果不了解细节，很难理解为什么结果为128。

另外，如果实现位域(bit fields)，应该考虑使用EnumSet，这一点可以参考Effective Java。