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c# 實(shí)現(xiàn)位圖算法(BitMap)

 更新時(shí)間:2020年07月24日 08:47:39   作者:time-flies  
這篇文章主要介紹了c# 如何實(shí)現(xiàn)位圖算法(BitMap),文中講解非常細(xì)致,幫助大家更好的理解和學(xué)習(xí),感興趣的朋友可以了解下

算法原理

BitMap的基本思想就是用一個(gè)bit位來(lái)標(biāo)記某個(gè)元素對(duì)應(yīng)的Value,而Key即是該元素。由于采用了Bit為單位來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),因此可以大大節(jié)省存儲(chǔ)空間。
BitMap可以看成一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

假設(shè)有這樣一個(gè)需求:在20億個(gè)隨機(jī)整數(shù)中找出某個(gè)數(shù)m是否存在其中,并假設(shè)32位操作系統(tǒng),4G內(nèi)存。
在Java中,int占4字節(jié),1字節(jié)=8位(1 byte = 8 bit)。
如果每個(gè)數(shù)字用int存儲(chǔ),那就是20億個(gè)int,因而占用的空間約為 (2000000000*4/1024/1024/1024)≈7.45G
如果按位存儲(chǔ)就不一樣了,20億個(gè)數(shù)就是20億位,占用空間約為 (2000000000/8/1024/1024/1024)≈0.233G

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):由于采用了Bit為單位來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并建立映射關(guān)系來(lái)查找位置,因此可以大大減少存儲(chǔ)空間,加快在大量數(shù)據(jù)中查詢(xún)的時(shí)間。(有點(diǎn)哈希表的意思,但哈希中的value值數(shù)據(jù)類(lèi)型可以豐富多樣,而B(niǎo)itMap最終查到的value只能表示簡(jiǎn)單的幾種狀態(tài)。)

缺點(diǎn):BitMap中的查詢(xún)結(jié)果(value)能表達(dá)的狀態(tài)有限,且所有的數(shù)據(jù)不能重復(fù)。即不可對(duì)重復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和查找。

算法實(shí)現(xiàn)(C#)

.NET中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了BitMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——BitArray,建議使用BitMap算法解決問(wèn)題時(shí)直接使用官方的BitArray。
我參照.NET源碼實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)化版的BitMap,以int數(shù)組存儲(chǔ)位值(最多存21億個(gè)位值),代碼如下:

  class BitMap
  {
    public int Length{ get{ return m_length;}
    }
    private int[] m_array;
    private int m_length;

    public BitMap(int length): this(length, false) { }

    //索引根據(jù)需求添加
    public bool this[int index]
    {
      get
      {        
        return Get(index);
      }
      set
      {
        Set(index,value); 
      }
    }

    //分配空間以容納長(zhǎng)度位值, 位數(shù)組中的所有值都設(shè)置為defaultValue。
    public BitMap(int length, bool defaultValue)
    {
      if (length < 0) {
        throw new ArgumentOutOfRangeException("length", "長(zhǎng)度值不能小于0");
      }

      int arrayLength = length > 0 ? (((length - 1) / 32) + 1) : 0;
      m_array = new int[arrayLength];
      m_length = length;
  
      int fillValue = defaultValue ? unchecked(((int)0xffffffff)) : 0;
      for (int i = 0; i < m_array.Length; i++) {
        m_array[i] = fillValue;
      }
    }

    //返回位置索引處的位值。
    public bool Get(int index) {
      if (index < 0 || index >= Length) {
        throw new ArgumentOutOfRangeException("index", "索引值超出范圍");
      }
      return (m_array[index / 32] & (1 << (index % 32))) != 0;
    }
  
    //將位置索引處的位值設(shè)置為value。
    public void Set(int index, bool value) {
      if (index < 0 || index >= Length) {
        throw new ArgumentOutOfRangeException("index", "索引值超出范圍");
      }
  
      if (value) {
        m_array[index / 32] |= (1 << (index % 32));
      } else {
        m_array[index / 32] &= ~(1 << (index % 32));
      }
    }
  }

算法應(yīng)用

問(wèn)題1:

給40億個(gè)不重復(fù)的unsigned int的整數(shù),沒(méi)有排過(guò)序,然后再給一個(gè)數(shù),如果快速判斷這個(gè)數(shù)是否在那40億個(gè)數(shù)當(dāng)中。(解決海量數(shù)據(jù)中的查詢(xún)問(wèn)題)

問(wèn)題1解法:

建立一個(gè)位集合,全部初始化為0。遍歷40億個(gè)不重復(fù)的整數(shù),通過(guò)上述提供的一種映射(每個(gè)不重復(fù)的整數(shù)映射到給定的位)找到其位的位置,標(biāo)記為1。判斷這個(gè)數(shù)是否在大整數(shù)集合中,即通過(guò)映射關(guān)系計(jì)算此整數(shù)的位位置,檢查是否為1,若為1,則存在,若為0,則不存在

問(wèn)題2:

數(shù)據(jù)庫(kù)里存了很多800電話(huà)號(hào)碼,數(shù)量特別大,以至于內(nèi)存放不下,如何排序,時(shí)間比空間更重要?電話(huà)號(hào)碼類(lèi)似于800-810-5555。(高效排序)

問(wèn)題2解法:

其實(shí)就是不重復(fù)的任意7位數(shù)及其之內(nèi)的排序問(wèn)題。我們用1位來(lái)表示電話(huà)是否出現(xiàn),遍歷整個(gè)電話(huà)號(hào)序列,設(shè)置相應(yīng)的位,遍歷位圖收集位被設(shè)置的號(hào)碼即可。查看上述的實(shí)現(xiàn)代碼

以上就是c# 實(shí)現(xiàn)位圖算法(BitMap)的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于c# 位圖算法的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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