• 《位图BitMap - 基于java实现》


    位图BitMap - 基于java实现》

    提示: 本材料只做个人学习参考,不作为系统的学习流程,请注意识别!!!



    1. 需求背景概述

    需要对上亿手机号进行标记, 标记的状态共有5种, 用户可根据手机号查询出该手机号对应的状态(具体需求不做赘述)。

    除了数据量大之外,业务上还需要QPS及RT最大化,因此考虑用java内存进行存储及查询。

    2. 技术实现

    前期尝试采用jdk基本数据类型map进行存储,检测发现加载速度及堆内存消耗都非常不理想,果断选择放弃。

    那么有什么方式存储能够节约内存,提高加载及搜索效率呢?

    由于业务场景为: 大规模数据,但数据状态又不是很多的情况。考虑用bit位方式去存储,尽可能的最大化利用内存,极限挖掘、利用、发挥Java的性能。

    2.1 JDK的BitSet

    代码如下:

    package com.chuanglan.geteway.server.controller.gateway;
    
    import java.util.BitSet;
    
    /**
     * bit操作类
     */
    public class Bit {
        private static final String TURE = "1";
        
        private static final String FALSE = "0";
        
        private final BitSet bit;
        
        /**
         * 每个值占用bit位数
         */
        private int bitLength = 3;
        
        /**
         * 初始化bitSet长度默认是128个bit
         */
        private int initLength = 16;
    
        public Bit() {
            this.bit = new BitSet(initLength);
        }
    
        public Bit(byte[] bytes) {
            this.bit = BitSet.valueOf(bytes);
        }
    
        public Bit(int bitLength) {
            this.bit = new BitSet(initLength);
            this.bitLength = bitLength;
        }
    
        public Bit(int initLength, int bitLength) {
            this.bit = new BitSet(initLength);
            this.bitLength = bitLength;
        }
    
        public Bit(byte[] bytes, int bitLength) {
            this.bit = BitSet.valueOf(bytes);
            this.bitLength = bitLength;
        }
    
        /**
         * 取数据
         *
         * @param index 数据索引位置
         */
        public int get(int index) {
            int bitIndex = getBitIndex(index);
            StringBuilder status = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < bitLength; i++) {
                if (this.bit.get(bitIndex + i)) {
                    status.append(TURE);
                } else {
                    status.append(FALSE);
                }
            }
            return Integer.parseInt(status.toString(), 2);
        }
    
        /**
         * 存数据
         *
         * @param index 数据索引位置
         * @param value 对应的值
         */
        public void set(int index, int value) {
            int bitIndex = getBitIndex(index);
            String valueStr = Integer.toBinaryString(value);
            valueStr = fillingZero(valueStr);
            String[] valueSplit = valueStr.split("");
            for (int i = 0; i < bitLength; i++) {
                String status = valueSplit[i];
                if (status.equals(TURE)) {
                    this.bit.set(bitIndex + i, true);
                } else {
                    this.bit.set(bitIndex + i, false);
                }
            }
        }
    
        /**
         * 转成byte数组
         *
         * @return
         */
        public byte[] toByte() {
            return this.bit.toByteArray();
        }
    
        //补零
        private String fillingZero(String str) {
            int strLen = str.length();
            if (strLen < bitLength) {
                StringBuilder strBuilder = new StringBuilder(str);
                while (strLen < bitLength) {
                    strBuilder.insert(0, "0");//左补0
                    strLen = strBuilder.length();
                }
                str = strBuilder.toString();
            } else if (strLen > bitLength) {
                throw new IllegalStateException("数值超过最大长度,数字范围是0-" + ((int) Math.pow(2, bitLength) - 1));
            }
            return str;
        }
    
        private int getBitIndex(int index) {
            return index << bitLength;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            int bitLength = 3;
            Bit bit = new Bit(1000, bitLength);
            bit.set(1, 3);
            bit.set(1000, 3);
            System.out.println(bit.get(1000));
            bit.set(1000, 1);
            System.out.println(bit.get(1000));
            bit.toByte();
        }
    }
    
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    代码大致如上,可根据自己需求再此基础上进行优化, 采用此方式存储,实际测试的时候内存消耗依然很大, 所以只能再想其他方案…

    2.2 long数组实现BitMap

    1. 实现方案

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    以上, 熟悉位运算的小伙伴可以自己研究一下

    代码实现:

    package com.chuanglan.cache.local;
    
    /**
     * 位图类:
     * 1.最多可以储存(2^37-2^6)个2种状态值的点;
     * 2.理论上有(2^37-2^6)个位空间,实际上可能不能完全使用(见无参构造器中的介绍),
     * 故使用时所选的点的状态值种数(stateNum)最好满足 64% ⌈ log2(stateNum) ⌉ = 0,即stateNum的补码的位数正好是64的因数;(听不明白的话,自行体会)
     * 3.没有删除点的方法,只有增加,更新,查找操作;(问为什么没有删除方法的人不是脑子有病,就是脑子有病。。。)
     * 4.回答3中问题:首先不是实现不了,是没有必要,因为删除一个点需要在数组中通过移位来填充被删除的位置,由于数据量过大可能会极其浪费时间,
     * 而且位图本身存在的意义是表示海量数据中每一条数据的可能性,对于海量数据而言,出现极个别错误并不会影响其最终统计结果(对于偷跑,出错的数据仍然可以在下一层中进行重新过滤,要是听不懂就算了。。。),
     * 这里建议使用update方法将不需要的点置0,用于表示该点被弃用,具体的逻辑需要使用者自己去编辑;
     * 5.该类所花费的理论持久存储空间大约为260MB也就是elementData数组的大小的极限值,实际可能会多一点,但几乎可以忽略不计,最终实现存储2种状态值的点的数量大约20亿个,
     * 也可以自定义每个点的状态值种数stateNum和点的数量length最大可以设置成(2^63-1)个,但最终要满足 length > ⌈ log2(stateNum) ⌉(向上取整) / 64 * Integer.MAX_VALUE,
     * 对于日常使用一定是足够的;(在这里,总有杠精会问超过了怎么办?就算是2种状态值的点有20亿个话,我还是不够用啊?)
     * 6.回答5中的问题:你不会搞个数组吗?你不能多new几个一起用吗!!!
     */
    public class Bitmap {
        /*
         *使用long型数组保存点
         */
        private final long[] elementData;
        /*
         * 位图中能存储的所有点的位数之和的最大值MAX_STATE_SIZE=137,438,953,408;
         * 64(MAX_STATE_SIZE=long类型的位数) * 0x7fffffff(int类型的最大值Integer.MAX_VALUE)= MAX_STATE_SIZE (2^37-2^6)
         */
    //    private static final long MAX_STATE_SIZE = 0x1fffffffc0L;//结果没用上,大意了。。。
        /*
        位图保存的点的状态种数
         */
        private final long stateNum;
        /*
        存储一个位图保存的点的状态值所需要的位数
         */
        private final int stateBitNum;
        /*
        位图可以储存的最大点数,初始化Bitmap类时指定
         */
        private final long MAX_SIZE;
        /*
        一个long型变量可以保存的点的数量
         */
        private final long numOfOneLong;
        /*
        该位图已经保存的点的数量
         */
        private long size;
    
        /**
         * @param stateNum 位图中点的状态数量,state>1
         * @param length   位图大小,0 ⌈ log2(stateNum) ⌉(向上取整) / 64 * Integer.MAX_VALUE,则说明该 Bitmap 类无法储存 length 个 stateNum 种数的点,抛出异常
         */
        public Bitmap(long stateNum, long length) {
            if (stateNum > 1 && length > 0) {
                /*
                计算状态值需要多少位来表示
                 */
                stateBitNum = 64 - Long.numberOfLeadingZeros(stateNum - 1);
                /*
                计算一个long型里面最多可以存放几个状态值,
                如果不能整除的话,就舍弃余下位数,
                因为在数组中跨元素进行位值的存取计算极其复杂,故舍弃部分位空间,方便位图的各项操作
                 */
                numOfOneLong = 64 / stateBitNum;
                /*
                一个long型最多可以存储numOfOneLong个状态值,
                所以该位图最大能存取numOfOneLong*Integer.MAX_VALUE个点,
                如果需要存储的数量length大于位图的最大存储数(numOfOneLong*Integer.MAX_VALUE)就说明该类Bitmap无法满足要求,抛出异常
                 */
                if (length > numOfOneLong * Integer.MAX_VALUE)
                    throw new RuntimeException("初始化的位图过大,无法存储!!!");
                this.stateNum = stateNum;
                MAX_SIZE = length;
    
                if (length % numOfOneLong == 0)
                    elementData = new long[(int) (length / numOfOneLong)];
                /*
                如果length个点不能被数组正好放下,就需要多添加一个数组元素来存储点
                 */
                else elementData = new long[((int) (length / numOfOneLong)) + 1];
            } else
                throw new RuntimeException("位图类的初始化传入参数值中没有负整数!!!");
        }
    
        /**
         * 顺序添加点
         *
         * @param state 点的状态
         * @return true表示添加成功,产生false的情况有:位图满了;状态值越界
         */
        public boolean add(long state) {
            if (state > stateNum - 1 || state < 0 || size == MAX_SIZE)
                return false;
            int index = (int) (size / numOfOneLong);
            int left = (int) (size % numOfOneLong);
            elementData[index] |= state << (64 - stateBitNum * (1 + left));
            ++size;
            return true;
        }
    
        public long find(long index) {
            if (index < 0 || index > size - 1)
                return -1;
            /*
            计算数组中哪一个元素保存着index索引对应的点
             */
            int arrayIndex = (int) (index / numOfOneLong);
            /*
            计算元素中从哪一位开始的位保存着index索引对应的点
             */
            int elementIndex = (int) (index % numOfOneLong);
            /*
            通过左移,清空掉左边无用的位,再通过无符号右移清空掉右边无用的位,最终正好是需要查找的index位置对应的state值
             */
            return elementData[arrayIndex] << (stateBitNum * elementIndex) >>> (64 - stateBitNum);
        }
    
        public boolean update(long index, long state) {
            if (index < 0 || index > size - 1 || state > stateNum - 1 || state < 0)
                return false;
            int arrayIndex = (int) (index / numOfOneLong);
            int left = (int) (index % numOfOneLong);
            elementData[arrayIndex] |= state << (64 - stateBitNum * (1 + left));
            return true;
        }
    
        /**
         * 返回位图中点的状态数量
         */
        public long getStateNum() {
            return stateNum;
        }
    
        /**
         * 返回位图可以存储的点的最大数量
         */
        public long getMaxSize() {
            return MAX_SIZE;
        }
    
        /**
         * 返回位图中实际已使用的数量
         */
        public long getSize() {
            return size;
        }
    
        /**
         * 辅助toString()方法,主要用于打印位图的具体显示
         */
        private String elementDataToString() {
            StringBuilder result = new StringBuilder("[\n");
            for (long element : elementData) {
                String eleString = Long.toBinaryString(element);
                StringBuilder one = new StringBuilder();
                for (int i = 0; i < 64 - eleString.length(); i++)
                    one.append("0");
                one.append(eleString);
                for (int i = 0; i < numOfOneLong + 1; i++)
                    one.insert((stateBitNum + 1) * i, ',');
                result.append(one.substring(1, one.lastIndexOf(","))).append(",\n");
            }
            return result.append("]").toString();
        }
    
        @Override
        public String toString() {
            return "Bitmap{\n" +
                    "elementData=" + elementDataToString() +
                    ", \nstateNum=" + stateNum +
                    ", \nstateBitNum=" + stateBitNum +
                    ", \nMAX_SIZE=" + MAX_SIZE +
                    ", \nsize=" + size +
                    "\n}";
        }
    
    
        public static void main(String[] args) {
            Bitmap bitmap = new Bitmap(8, 10);
            for (long i = 0; i < 10; i++) {
                bitmap.add(0);
            }
            for (long i = 0; i < 10; i++) {
                bitmap.update(i, 7);
            }
    
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
    
    
            bitmap.update(4, 3);
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
    
            bitmap.update(4, 2);
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
    
            bitmap.update(4, 1);
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
    
            bitmap.update(4, 5);
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
        }
    }
    
    
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    测试结果:

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    =====
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    测试结果发现更新逻辑不符合预期( 未能按照预期去更新状态位)

    分析代码, 是由update方法中, 修改某个位置的状态的逻辑错误导致的, 调整代码如下:

    在这里插入图片描述
    此时测试结果如下:

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    7
    7
    =====
    7
    3
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    =====
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    =====
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    符合预期结果, 更改后的完整代码如下:

    package com.chuanglan.cache.local;
    
    /**
     * 位图类:
     * 1.最多可以储存(2^37-2^6)个2种状态值的点;
     * 2.理论上有(2^37-2^6)个位空间,实际上可能不能完全使用(见无参构造器中的介绍),
     * 故使用时所选的点的状态值种数(stateNum)最好满足 64% ⌈ log2(stateNum) ⌉ = 0,即stateNum的补码的位数正好是64的因数;(听不明白的话,自行体会)
     * 3.没有删除点的方法,只有增加,更新,查找操作;(问为什么没有删除方法的人不是脑子有病,就是脑子有病。。。)
     * 4.回答3中问题:首先不是实现不了,是没有必要,因为删除一个点需要在数组中通过移位来填充被删除的位置,由于数据量过大可能会极其浪费时间,
     * 而且位图本身存在的意义是表示海量数据中每一条数据的可能性,对于海量数据而言,出现极个别错误并不会影响其最终统计结果(对于偷跑,出错的数据仍然可以在下一层中进行重新过滤,要是听不懂就算了。。。),
     * 这里建议使用update方法将不需要的点置0,用于表示该点被弃用,具体的逻辑需要使用者自己去编辑;
     * 5.该类所花费的理论持久存储空间大约为260MB也就是elementData数组的大小的极限值,实际可能会多一点,但几乎可以忽略不计,最终实现存储2种状态值的点的数量大约20亿个,
     * 也可以自定义每个点的状态值种数stateNum和点的数量length最大可以设置成(2^63-1)个,但最终要满足 length > ⌈ log2(stateNum) ⌉(向上取整) / 64 * Integer.MAX_VALUE,
     * 对于日常使用一定是足够的;(在这里,总有杠精会问超过了怎么办?就算是2种状态值的点有20亿个话,我还是不够用啊?)
     * 6.回答5中的问题:你不会搞个数组吗?你不能多new几个一起用吗!!!
     */
    public class Bitmap {
        /*
         *使用long型数组保存点
         */
        private final long[] elementData;
        /*
         * 位图中能存储的所有点的位数之和的最大值MAX_STATE_SIZE=137,438,953,408;
         * 64(MAX_STATE_SIZE=long类型的位数) * 0x7fffffff(int类型的最大值Integer.MAX_VALUE)= MAX_STATE_SIZE (2^37-2^6)
         */
    //    private static final long MAX_STATE_SIZE = 0x1fffffffc0L;//结果没用上,大意了。。。
        /*
        位图保存的点的状态种数
         */
        private final long stateNum;
        /*
        存储一个位图保存的点的状态值所需要的位数
         */
        private final int stateBitNum;
        /*
        位图可以储存的最大点数,初始化Bitmap类时指定
         */
        private final long MAX_SIZE;
        /*
        一个long型变量可以保存的点的数量
         */
        private final long numOfOneLong;
        /*
        该位图已经保存的点的数量
         */
        private long size;
    
        /**
         * @param stateNum 位图中点的状态数量,state>1
         * @param length   位图大小,0 ⌈ log2(stateNum) ⌉(向上取整) / 64 * Integer.MAX_VALUE,则说明该 Bitmap 类无法储存 length 个 stateNum 种数的点,抛出异常
         */
        public Bitmap(long stateNum, long length) {
            if (stateNum > 1 && length > 0) {
                /*
                计算状态值需要多少位来表示
                 */
                stateBitNum = 64 - Long.numberOfLeadingZeros(stateNum - 1);
                /*
                计算一个long型里面最多可以存放几个状态值,
                如果不能整除的话,就舍弃余下位数,
                因为在数组中跨元素进行位值的存取计算极其复杂,故舍弃部分位空间,方便位图的各项操作
                 */
                numOfOneLong = 64 / stateBitNum;
                /*
                一个long型最多可以存储numOfOneLong个状态值,
                所以该位图最大能存取numOfOneLong*Integer.MAX_VALUE个点,
                如果需要存储的数量length大于位图的最大存储数(numOfOneLong*Integer.MAX_VALUE)就说明该类Bitmap无法满足要求,抛出异常
                 */
                if (length > numOfOneLong * Integer.MAX_VALUE)
                    throw new RuntimeException("初始化的位图过大,无法存储!!!");
                this.stateNum = stateNum;
                MAX_SIZE = length;
    
                if (length % numOfOneLong == 0)
                    elementData = new long[(int) (length / numOfOneLong)];
                /*
                如果length个点不能被数组正好放下,就需要多添加一个数组元素来存储点
                 */
                else elementData = new long[((int) (length / numOfOneLong)) + 1];
            } else
                throw new RuntimeException("位图类的初始化传入参数值中没有负整数!!!");
        }
    
        /**
         * 顺序添加点
         *
         * @param state 点的状态
         * @return true表示添加成功,产生false的情况有:位图满了;状态值越界
         */
        public boolean add(long state) {
            if (state > stateNum - 1 || state < 0 || size == MAX_SIZE)
                return false;
            int index = (int) (size / numOfOneLong);
            int left = (int) (size % numOfOneLong);
            elementData[index] |= state << (64 - stateBitNum * (1 + left));
            ++size;
            return true;
        }
    
        public long find(long index) {
            if (index < 0 || index > size - 1)
                return -1;
            /*
            计算数组中哪一个元素保存着index索引对应的点
             */
            int arrayIndex = (int) (index / numOfOneLong);
            /*
            计算元素中从哪一位开始的位保存着index索引对应的点
             */
            int elementIndex = (int) (index % numOfOneLong);
            /*
            通过左移,清空掉左边无用的位,再通过无符号右移清空掉右边无用的位,最终正好是需要查找的index位置对应的state值
             */
            return elementData[arrayIndex] << (stateBitNum * elementIndex) >>> (64 - stateBitNum);
        }
    
        public boolean update(long index, long state) {
            if (index < 0 || index > size - 1 || state > stateNum - 1 || state < 0)
                return false;
            int arrayIndex = (int) (index / numOfOneLong);
            int left = (int) (index % numOfOneLong);
            long bitPre = (1L << stateBitNum) - 1;
            int bitSub = 64 - stateBitNum * (1 + left);
            elementData[arrayIndex] &= ~(bitPre << bitSub);
            elementData[arrayIndex] |= state << (64 - stateBitNum * (1 + left));
            return true;
        }
    
        /**
         * 返回位图中点的状态数量
         */
        public long getStateNum() {
            return stateNum;
        }
    
        /**
         * 返回位图可以存储的点的最大数量
         */
        public long getMaxSize() {
            return MAX_SIZE;
        }
    
        /**
         * 返回位图中实际已使用的数量
         */
        public long getSize() {
            return size;
        }
    
        /**
         * 辅助toString()方法,主要用于打印位图的具体显示
         */
        private String elementDataToString() {
            StringBuilder result = new StringBuilder("[\n");
            for (long element : elementData) {
                String eleString = Long.toBinaryString(element);
                StringBuilder one = new StringBuilder();
                for (int i = 0; i < 64 - eleString.length(); i++)
                    one.append("0");
                one.append(eleString);
                for (int i = 0; i < numOfOneLong + 1; i++)
                    one.insert((stateBitNum + 1) * i, ',');
                result.append(one.substring(1, one.lastIndexOf(","))).append(",\n");
            }
            return result.append("]").toString();
        }
    
        @Override
        public String toString() {
            return "Bitmap{\n" +
                    "elementData=" + elementDataToString() +
                    ", \nstateNum=" + stateNum +
                    ", \nstateBitNum=" + stateBitNum +
                    ", \nMAX_SIZE=" + MAX_SIZE +
                    ", \nsize=" + size +
                    "\n}";
        }
    
    
        public static void main(String[] args) {
            Bitmap bitmap = new Bitmap(8, 10);
            for (long i = 0; i < 10; i++) {
                bitmap.add(0);
            }
            for (long i = 0; i < 10; i++) {
                bitmap.update(i, 7);
            }
    
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
    
    
            bitmap.update(4, 3);
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
    
            bitmap.update(4, 2);
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
    
            bitmap.update(4, 1);
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
    
            bitmap.update(4, 5);
            System.out.println(bitmap.find(3));
            System.out.println(bitmap.find(4));
            System.out.println(bitmap.find(5));
            System.out.println("=====");
        }
    }
    
    
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    以上就是实际工作中遇到的一些问题总结,只做个人学习参考,不作为系统的学习流程,请注意识别!!!

    参考文档: https://blog.csdn.net/qq_40100414/article/details/118719748#comments_22962004

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_43695916/article/details/126655910