数据结构——bitmap

近期在看《编程珠玑》这本书。 第1章中引入了bitmap(位图)的数据结构。

曾经没有接触过， 抽出时间研究了一下，记录下来。

书中描写叙述的情景：

1. 最多1000万个7位数电话号码（号码不反复，实际大概800万个)，保存在文本中

2. 每隔一段时间要对号码进行排序

3.程序模块最多可用1M Bytes的内存， 磁盘空间充足

分析：

通常方案：7位电话号码能够用uint32_t （4个字节）来存储，  4 * 8 * 10^6 Bytes约为32M Bytes。一次性排序显然内存不满足。

1M Bytes 内存能够存放 10^6/4 = 250万个号码， 1000万个约要分40趟进行读取排序写入文件，在归并到一起

此方案，须要40次读原始文本的代价，效率低下。

位图方案： 1个字节（8Bit）能够存放8个整数，  实际800万个号码，刚好1M Bytes的内存空间能够使用，符合要求。

一、原理

通常存储方案。 每一个整数（假如4个字节）。 占用内存多。 在内存不足或海量数据时。 导致处理方法复杂。

位图。 能够理解用位(Bit)来表示数据。 1个字节是8位， 能够存储8个连续的整数， 内存空间充分利用。 每一位 1表示有数据， 0 表示没有数据。

举例说明：

整数集合 {1 ， 11,  9 , 7 , 10 }

5个整数，用通常存储方案，须要 5  * 4 = 20 字节

位图仅仅须要  12位， 不到2个字节（一般是用2个字节来存放，方便管理和字节对齐）

这5个整数用位图表演示样例如以下：

0	1	0	0	0	0	0	1	0	1	1	1	0	0	0	0
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15

第1个字节。表示的数据范围  0 ～ 7。 第2个字节， 表示的数据范围 ： 8 ～ 15

二、 一个非负整数(如果为N)位图的表示方法

（负数表示的方法类似。 在此仅仅以非负数来分析）

1. 计算N属于哪个单元

1个字节（8Bit）能够存放8个连续的整数，一个位图能够划分为多个这种小单元。

整数N除以8 的值能够推断在哪个单元中。

如样例中： 整数 9，   9 / 8 =  1（从0 開始计算的），能够知道在第2个字节单元中。

2. 位图中N的插入

每个字节中，能够表示8个连续整数，  要确定N在单元中的确切位置

插入9之前：

0	0	0	0	0	0	0	0
8	9	10	11	12	13	14	15

插入9之后：

0	1	0	0	0	0	0	0
8	9	10	11	12	13	14	15

如果插入之前。单元数值为X，

插入9后能够表示为：  X  |  （0X80 >> 9 % 8)

公式能够表示为：   X  |  （ 0X80 >> N % 8)

推算过程： 0X80， 二进制表示 1000  0000 ，右移 9 % 8= 1位。 变为 0 100   0000。和 插入之前的数 “或”运算。就能够把9的位置设为1了。

3. 位图中N的查询

如果N 所在的划分单元的数值为 X，

公式能够表示为：  X   &  ( 0X80 >> N % 8)

推算过程：0X80 右移 N % 8 位， 与X 进行“交”运算， 假设结果为0， 则整数N不在位图中， 反之。在位图中。

4. 位图中N的删除

如果N所在的划分单元的数值为X，

公式能够表示为： X & ~(0X80 >> N % 8)

推算过程：0X80 右移 N % 8 位。求反会把相应的为置为0。其它位为1， 再与X 进行“交”运算， 仅仅把N所在单元的位置设为0

通过以上的分析。写代码就方便了。 我用c语言写了一个简单的測试代码：

_bitmap.h

#ifndef _BITMAP_H
#define _BITMAP_H
#include <stdint.h>

static inline void bitmap_add(char* p, int64_t n)
{
    p += n / 8;
    *p |= (0x80 >> n % 8);
}

static inline void bitmap_del(char* p, int64_t n)
{
    p += n / 8;
    *p &= ~(0x80 >> n % 8);
}

// yes: > 0, no: 0
static inline int bitmap_lookup(char* p, int64_t n)
{
    p += n / 8;
    return *p & (0x80 >> n % 8);
}

#endif /*_BITMAP_H*/

test.c

#include <stdio.h>
#include "_bitmap.h"

int main(int argc, char* argv[])
{
    uint32_t num[] = {7999, 6000, 0, 1, 13, 11, 12, 99, 88, 55, 77, 800, 5000};

#define SIZE 1000
    char a[SIZE] = {0};  // Can store 0 ~ 7999

    int i = 0;
    for (i = 0; i < sizeof(num) / sizeof(uint32_t); i++)
    {
        bitmap_add(a, num[i]);
    }

    //print bitmap
    char* p = a;
    for (i = 0; i < SIZE; i++)
    {
        int j = 0;
        for (j = 0; j < 8; j++)
        {
            if ((*p & (0x80 >> j)))
                printf("%d\t", i * 8 + j);
        }
        p++;
    }
    printf("\n");

    // delete
    bitmap_del(a, 99);
    bitmap_del(a, 0);

    // print bitmap
    p = a;
    for (i = 0; i < SIZE; i++)
    {
        int j = 0;
        for (j = 0; j < 8; j++)
        {
            if ((*p & (0x80 >> j)))
                printf("%d\t", i * 8  + j);
        }
        p++;
    }
    printf("\n");

    int x = 99;
    if (bitmap_lookup(a, x))
    {
        printf("%d is in bitmap\n", x);
    }
    else
    {
        printf("%d is not in bitmap\n", x);
    }

    x = 7999;
    if (bitmap_lookup(a, x))
    {
        printf("%d is in bitmap\n", x);
    }
    else
    {
        printf("%d is not in bitmap\n", x);
    }

    return 0;
}

输出结果：