Go 語言 示例: Bit數(shù)組

原文鏈接：https://gopl-zh.github.io/ch6/ch6-05.html

6.5. 示例: Bit數(shù)組

Go語言里的集合一般會用map[T]bool這種形式來表示，T代表元素類型。集合用map類型來表示雖然非常靈活，但我們可以以一種更好的形式來表示它。例如在數(shù)據(jù)流分析領(lǐng)域，集合元素通常是一個非負(fù)整數(shù)，集合會包含很多元素，并且集合會經(jīng)常進(jìn)行并集、交集操作，這種情況下，bit數(shù)組會比map表現(xiàn)更加理想。（譯注：這里再補充一個例子，比如我們執(zhí)行一個http下載任務(wù)，把文件按照16kb一塊劃分為很多塊，需要有一個全局變量來標(biāo)識哪些塊下載完成了，這種時候也需要用到bit數(shù)組。）

一個bit數(shù)組通常會用一個無符號數(shù)或者稱之為“字”的slice來表示，每一個元素的每一位都表示集合里的一個值。當(dāng)集合的第i位被設(shè)置時，我們才說這個集合包含元素i。下面的這個程序展示了一個簡單的bit數(shù)組類型，并且實現(xiàn)了三個函數(shù)來對這個bit數(shù)組來進(jìn)行操作：

gopl.io/ch6/intset

// An IntSet is a set of small non-negative integers.
// Its zero value represents the empty set.
type IntSet struct {
    words []uint64
}

// Has reports whether the set contains the non-negative value x.
func (s *IntSet) Has(x int) bool {
    word, bit := x/64, uint(x%64)
    return word < len(s.words) && s.words[word]&(1<<bit) != 0
}

// Add adds the non-negative value x to the set.
func (s *IntSet) Add(x int) {
    word, bit := x/64, uint(x%64)
    for word >= len(s.words) {
        s.words = append(s.words, 0)
    }
    s.words[word] |= 1 << bit
}

// UnionWith sets s to the union of s and t.
func (s *IntSet) UnionWith(t *IntSet) {
    for i, tword := range t.words {
        if i < len(s.words) {
            s.words[i] |= tword
        } else {
            s.words = append(s.words, tword)
        }
    }
}

因為每一個字都有64個二進(jìn)制位，所以為了定位x的bit位，我們用了x/64的商作為字的下標(biāo)，并且用x%64得到的值作為這個字內(nèi)的bit的所在位置。UnionWith這個方法里用到了bit位的“或”邏輯操作符號|來一次完成64個元素的或計算。（在練習(xí)6.5中我們還會有程序用到這個64位字的例子。）

當(dāng)前這個實現(xiàn)還缺少了很多必要的特性，我們把其中一些作為練習(xí)題列在本小節(jié)之后。但是有一個方法如果缺失的話我們的bit數(shù)組可能會比較難混：將IntSet作為一個字符串來打印。這里我們來實現(xiàn)它，讓我們來給上面的例子添加一個String方法，類似2.5節(jié)中做的那樣：

// String returns the set as a string of the form "{1 2 3}".
func (s *IntSet) String() string {
    var buf bytes.Buffer
    buf.WriteByte('{')
    for i, word := range s.words {
        if word == 0 {
            continue
        }
        for j := 0; j < 64; j++ {
            if word&(1<<uint(j)) != 0 {
                if buf.Len() > len("{") {
                    buf.WriteByte(' ')
                }
                fmt.Fprintf(&buf, "%d", 64*i+j)
            }
        }
    }
    buf.WriteByte('}')
    return buf.String()
}

這里留意一下String方法，是不是和3.5.4節(jié)中的intsToString方法很相似；bytes.Buffer在String方法里經(jīng)常這么用。當(dāng)你為一個復(fù)雜的類型定義了一個String方法時，fmt包就會特殊對待這種類型的值，這樣可以讓這些類型在打印的時候看起來更加友好，而不是直接打印其原始的值。fmt會直接調(diào)用用戶定義的String方法。這種機(jī)制依賴于接口和類型斷言，在第7章中我們會詳細(xì)介紹。

現(xiàn)在我們就可以在實戰(zhàn)中直接用上面定義好的IntSet了：

var x, y IntSet
x.Add(1)
x.Add(144)
x.Add(9)
fmt.Println(x.String()) // "{1 9 144}"

y.Add(9)
y.Add(42)
fmt.Println(y.String()) // "{9 42}"

x.UnionWith(&y)
fmt.Println(x.String()) // "{1 9 42 144}"
fmt.Println(x.Has(9), x.Has(123)) // "true false"

這里要注意：我們聲明的String和Has兩個方法都是以指針類型*IntSet來作為接收器的，但實際上對于這兩個類型來說，把接收器聲明為指針類型也沒什么必要。不過另外兩個函數(shù)就不是這樣了，因為另外兩個函數(shù)操作的是s.words對象，如果你不把接收器聲明為指針對象，那么實際操作的是拷貝對象，而不是原來的那個對象。因此，因為我們的String方法定義在IntSet指針上，所以當(dāng)我們的變量是IntSet類型而不是IntSet指針時，可能會有下面這樣讓人意外的情況：

fmt.Println(&x)         // "{1 9 42 144}"
fmt.Println(x.String()) // "{1 9 42 144}"
fmt.Println(x)          // "{[4398046511618 0 65536]}"

在第一個Println中，我們打印一個*IntSet的指針，這個類型的指針確實有自定義的String方法。第二Println，我們直接調(diào)用了x變量的String()方法；這種情況下編譯器會隱式地在x前插入&操作符，這樣相當(dāng)于我們還是調(diào)用的IntSet指針的String方法。在第三個Println中，因為IntSet類型沒有String方法，所以Println方法會直接以原始的方式理解并打印。所以在這種情況下&符號是不能忘的。在我們這種場景下，你把String方法綁定到IntSet對象上，而不是IntSet指針上可能會更合適一些，不過這也需要具體問題具體分析。

練習(xí)6.1: 為bit數(shù)組實現(xiàn)下面這些方法

func (*IntSet) Len() int      // return the number of elements
func (*IntSet) Remove(x int)  // remove x from the set
func (*IntSet) Clear()        // remove all elements from the set
func (*IntSet) Copy() *IntSet // return a copy of the set

練習(xí) 6.2： 定義一個變參方法(*IntSet).AddAll(...int)，這個方法可以添加一組IntSet，比如s.AddAll(1,2,3)。

練習(xí) 6.3： (*IntSet).UnionWith會用|操作符計算兩個集合的并集，我們再為IntSet實現(xiàn)另外的幾個函數(shù)IntersectWith（交集：元素在A集合B集合均出現(xiàn)），DifferenceWith（差集：元素出現(xiàn)在A集合，未出現(xiàn)在B集合），SymmetricDifference（并差集：元素出現(xiàn)在A但沒有出現(xiàn)在B，或者出現(xiàn)在B沒有出現(xiàn)在A）。

練習(xí) 6.4:  實現(xiàn)一個Elems方法，返回集合中的所有元素，用于做一些range之類的遍歷操作。

練習(xí) 6.5： 我們這章定義的IntSet里的每個字都是用的uint64類型，但是64位的數(shù)值可能在32位的平臺上不高效。修改程序，使其使用uint類型，這種類型對于32位平臺來說更合適。當(dāng)然了，這里我們可以不用簡單粗暴地除64，可以定義一個常量來決定是用32還是64，這里你可能會用到平臺的自動判斷的一個智能表達(dá)式：32 << (^uint(0) >> 63)