类似位图的数据结构BitsSet

      此数据结构最主要用途是对整数进行计数，通过将集合中每个元素指定为1，2或4个bit，以降低空间复杂率。实际使用的是int数组，通过位操作实现将1个int划分为多个包含1，2或4个bit的元素。当元素包含1个bit时退化为位图。

 

      类似于Map，对整数进行计数。将1个int划分成32/(2^n)个包含 2^n 个bit的元素，从而实现对BitsMap的下标进行[0,2^(n+1) )的计数。

例如，n=0，则1个int包含32个元素，每个元素包含1个bit。BitsMap中对应每个元素的值为[0,2)。这就是位相量，即位图。

         n=1，则1个int包含16个元素，每个元素包含2个bit。BitsMap中对应元素的值为[0,4)。

         n=2，则1个int包含8个元素，每个元素包含4个bit。BitsMap中对应元素的值为[0,16)。

具体使用环境：作为集合对整数计数。例如，

         1）文件中存有N个整数，N<10^5，每个整数至多出现1次，找到没有出现的整数

 2）文件中存有N个整数，N<10^5，每个整数至多出现10次，找到出现的次数最多整数，或者按照出现次数排序

 

  3）文件中存有N个整数，N<10^20，每个整数至多出现1次，对这些整数排序

      可以通过构造方法实例化对象，推荐使用静态工厂方法获取对象

/** * 静态工厂方法，获得一个元素包含4个bit的BitsMap * * @param size 集合的大小 */public static BitsSet getFourBitsSet(int size)/** * 静态工厂方法，获得一个位图 * * @param size 集合的大小 */public static BitsSet getBitSet(int size)/** * 静态工厂方法，获得一个元素包含2个bit的BitsMap * * @param size 集合的大小 */public static BitsSet getTwoBitsSet(int size) 

 

      具体类的代码

import java.util.Iterator;/** * 类似与Map，对整数进行计数。 * 将1个int划分成32/(2^n)个包含 2^n 个bit的元素，从而实现对BitsMap的下标进行[0,2^(n+1) )的计数。 * 例如，n=0，则1个int包含32个元素，每个元素包含1个bit。BitsMap中对应每个元素的值为[0,2)。这就是位相量，即位图。 * n=1，则1个int包含16个元素，每个元素包含2个bit。BitsMap中对应元素的值为[0,4)。 * n=2，则1个int包含8个元素，每个元素包含4个bit。BitsMap中对应元素的值为[0,16)。 * …… * 通过这个数据结构可以对一个稠密集合进行计数，降低空间复杂率。 * * @author chosen0ne * 2010-08-31 */class BitsSet implements Iterable<Integer>{private static final int BITS_INT=32;//一个int包含的bit数private int bitsCount;//集合中每个元素包含的bit数private int[] store;//实际存储数据的int数组private int size;//int数组的大小private int sizeInt;//一个int中包含的元素的个数，等于BITS_INT/bitsCountprivate int setSize;//BitsSet集合的大小private int mask;//获得结果时使用private int limit;//每个元素的最大值/* * 构造方法 * @param bitsCount BitsSet中一个元素包含的bit数，取值{1,2,4} * @param size BitsSet的大小 * @param limit 每个元素的最大值，取值大于0 */public BitsSet(int bitsCount,int size,int limit) throws RuntimeException{//对bitsCount的输入进行校验，不通过将会抛出异常if(bitsCount<0)throw new RuntimeException("bitsCount必须大于0");else if(bitsCount!=1&&bitsCount!=2&&bitsCount!=4)throw new RuntimeException("bitsCount取值只能是1、2或4");this.mask=(int)Math.pow(2,bitsCount)-1;//掩码，元素的所有bit都为1，bitsCount=1时为0x1，bitsCount=2时为0x3，bitsCount=4时为0xF//对limit进行校验if(limit<=0)throw new RuntimeException("每个元素的取值limit必须大于0");if(limit>this.mask)//每个元素的最大值limit如果超过mask，则设置为masklimit=this.mask;this.limit=limit;this.setSize=size;this.bitsCount=bitsCount;this.sizeInt=BITS_INT/bitsCount;this.size= size%sizeInt==0 ? size/sizeInt : size/sizeInt+1;store=new int[this.size];}/* * 构造方法，元素最大值默认为2^bitsCount-1 * @param bitsCount BitsSet中一个元素包含的bit数，取值{1,2,4} * @param size BitsSet的大小 */public BitsSet(int bitsCount,int size) throws RuntimeException{this(bitsCount,size,(int)Math.pow(2,bitsCount)-1);}/** * 构造方法，位图，元素包含1个bit * @param size BitsSet的大小 */public BitsSet(int size) throws RuntimeException{this(1,size,0x1);}/** * 静态工厂方法，获得一个元素包含4个bit的BitsMap * * @param size 集合的大小 */public static BitsSet getFourBitsSet(int size){return new BitsSet(4, size, 0xf);}/** * 静态工厂方法，获得一个位图 * * @param size 集合的大小 */public static BitsSet getBitSet(int size){return new BitsSet(size);}/** * 静态工厂方法，获得一个元素包含2个bit的BitsMap * * @param size 集合的大小 */public static BitsSet getTwoBitsSet(int size){return new BitsSet(2,size, 4);}/* * 获得index对应的元素的值 * @param index BitsSet中的下标 */public int get(int index) throws ArrayIndexOutOfBoundsException{int i=index/sizeInt; //取得包含该元素的int在数组中的下标if(i>=size)//判断下标是否越界throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(i);int num=store[i];//取得该intint intIndex=index%sizeInt;//取得该元素在int中的下标return (num>>(intIndex*bitsCount))&mask;}/** * 将index对应的元素加1，如果该值已经是最大值，则抛出异常 * @param index BitsSet中的下标 * @return 更改后index对应元素的值 */public int put(int index) throws Exception{int i=index/sizeInt; //取得包含该元素的int在数组中的下标if(i>=size)//判断下标是否越界throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(i);int num=store[i];int intIndex=index%sizeInt;//取得该元素在int中的下标int val=(num>>(intIndex*bitsCount))&mask;if(val>=this.limit)return val;store[i]+=(1<<(intIndex*bitsCount));return val+1;}/** * 返回BitsSet的大小 */public int size(){return this.setSize;}@Overridepublic Iterator<Integer> iterator(){return new BitsSetIterator();}public Iterator<Integer> keySetIterator(){return new BitsSetKeyIterator();}/** * BitsSet的所有元素的迭代器 */private class BitsSetIterator implements Iterator<Integer>{private int index=0;@Overridepublic boolean hasNext(){return index<setSize;}@Overridepublic void remove(){throw new UnsupportedOperationException("BitsSet不知删除操作");}@Overridepublic Integer next(){return BitsSet.this.get(index++);}}/** * BitsSet的key的迭代器，遍历所有元素的下标 * */private class BitsSetKeyIterator implements Iterator<Integer>{private int index=0;@Overridepublic boolean hasNext(){return index<setSize;}@Overridepublic void remove(){throw new UnsupportedOperationException("BitsSet不知删除操作");}@Overridepublic Integer next(){return index++;}}public static void main(String[] args) throws Exception{BitsSet fourBits=BitsSet.getFourBitsSet(10);for(int i=0;i<150;i++){int index=(int)(Math.random()*10);fourBits.put(index);}Iterator<Integer> keys=fourBits.keySetIterator();while(keys.hasNext()){int key=keys.next();System.out.println(key+": "+fourBits.get(key));}//测试位图System.out.println("测试位图");BitsSet bits=BitsSet.getBitSet(100);for(int i=0;i<150;i++){int index=(int)(Math.random()*100);bits.put(index);}keys=bits.keySetIterator();while(keys.hasNext()){int key=keys.next();System.out.println(key+": "+bits.get(key));}}}