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【C++】位图

Ⅰ、bitset的介绍

位图:

  • 就是用 比特位 来标识某种状态,适用于海量数据,数据无重复的场景。通常是用来判断某个数据存不存在的。

位图的接口:

成员函数	功能
set		设置指定位或所有位
reset	清空指定位或所有位
flip	反转指定位或所有位
test	获取指定位的状态
count	获取被设置位的个数
size	获取可以容纳的位的个数
any		如果有任何一个位被设置则返回true
none	如果没有位被设置则返回true
all		如果所有位都被设置则返回true
  • 注意:库里面的函数可以是指定位,也可以是所有位。

栗子:

40 亿个不重复的无符号整数,没排过序。给一个无符号整数,如何快速判断一个数是否在
40 亿个数中。

一般思路:

  1.  排序+二分
  2. 哈希(unordered_map) 

在这里,我们可以用位图解决,空间复杂度会变低。

  • 数据是否在给定的整形数据中。结果是在或者不在,刚好是两种状态。
  • 那么可以使用一个二进制比特位来代表数据是否存在的信息。
  • 如果二进制比特位为1,代表存在,为0代表不存在。
比如:

位图的应用:

  • 快速查找某个数据是否在一个集合中。
  • 排序+去重。
  • 求两个集合的交集、并集等。
  • 内核中信号标志位(信号屏蔽字和未决信号集)。

Ⅱ、位图的实现

         1 .整体框架

  • 我们选择用一个vector来存放数据。具体开多大的空间,可以用模板来表示。
  • 在构造函数中,用户模板传入的多大字节。其中我们把用户传的大小除以32再加1。
  • 判断多少个整形可以有这么多字节的空间,但是会浪费几个比特位,这些空间都是可以忽略的。
class BitSet
{
public:BitSet(){_bs.resize(N / 32 + 1);}private:vector<int> _bs;
};

         2 .把某一位设置为1

这里有两步:

  1. 找到x所处在的那一位: 先确定这个数应该处在第几个整数(类似哈希表找存储位置),也就是index=x/32;然后通过把x对32取模,得到x在第index个整形的第pos个位置
  2. 把改为设置为1: 把1左移pos位,用这个数和第index整数进行按位或的操作
void set(size_t x)
{int i = x / 32;int y = x % 32;_bs[i] |= (1 << y);
}

         3 . 把某一位设置为0

两步:

  1. 找到那一位: 同上
  2. 把这位设置为0: 把1左移pos位,把这个数取反,然后和第index个整数进行按位与的操作
void reset(size_t x)
{int i = x / 32;int y = x % 32;_bs[i] &= (~(1 << y));
}

         4 . 判断某一位是否为1

两步:

  1. 找到那一位: 同上
  2. 把这位设置为0: 把1左移pos位,然后返回这个数和第index个整数进行按位与的的结果
bool test(size_t x)
{int i = x / 32;int y = x % 32;return _bs[i] & (1 << y);
}
  • 测试:判断一个数组的元素在另一个数组是否存在。
void Test_BitSet()
{int a1[] = { 5,7,9,2,5,99,5,5,7,5,3,9,2,55,1,5,6 };int a2[] = { 5,3,5,99,6,99,33,66 };BitSet<100> bs;for (auto e : a1)bs.set(e);for (auto e : a2)cout << bs.test(e) << " ";cout << endl;
}
  • 测试结果:可以看见,33和66不存在,打印出来就是0。

         5 .例题

问题:用位图实现一个数在数组中出现了几次?(一定是3次及一下)

  • 这个题我们可以封装双位图来实现,一个位图代表个数的第一个比特位,一个位图代表个数的第二个比特
template<size_t N>
class Two_BitSet
{
public:void set(size_t x){bool bit1 = _bs1.test(x);bool bit2 = _bs2.test(x);
//根据对应位置是否存在,来判断是否进位if (!bit1 && !bit2){_bs2.set(x);}else if (!bit1 && bit2){_bs1.set(x);_bs2.reset(x);}else{_bs2.set(x);}}int GetCount(size_t x){bool bit1 = _bs1.test(x);bool bit2 = _bs2.test(x);if (!bit1 && !bit2){return 0;}else if (!bit1 && bit2){return 1;}else if (bit1 && !bit2){return 2;}elsereturn 3;}
private:BitSet<N> _bs1;BitSet<N> _bs2;
};

测试:

void Test_TwoBitSet()
{int a[] = { 5,7,9,2,5,99,5,5,7,5,3,9,2,55,1,5,6,6,6,6,7,9 };int sum = 0;Two_BitSet<100> bs;for (auto x : a)bs.set(x);for (int i = 0; i < 100; i++){cout << bs.GetCount(i) << " ";}cout << endl;}

在测试用例中,我使某些数,多出现了几次,所以结果就不准确了。

Ⅲ、总结

  • 位图实现起来十分的简单,应用也是很广的,可以达到节省空间的效果。
  • 但是它有一个致命的缺点就是只能处理整形数据。

整体代码:

#pragma once
#include<vector>
using namespace std;
template<size_t N>
class BitSet
{
public:BitSet(){_bs.resize(N / 32 + 1);}void set(size_t x){int i = x / 32;int y = x % 32;_bs[i] |= (1 << y);}void reset(size_t x){int i = x / 32;int y = x % 32;_bs[i] &= (~(1 << y));}bool test(size_t x){int i = x / 32;int y = x % 32;return _bs[i] & (1 << y);}
private:vector<int> _bs;
};
template<size_t N>
class Two_BitSet
{
public:void set(size_t x){bool bit1 = _bs1.test(x);bool bit2 = _bs2.test(x);if (!bit1 && !bit2){_bs2.set(x);}else if (!bit1 && bit2){_bs1.set(x);_bs2.reset(x);}else{_bs2.set(x);}}int GetCount(size_t x){bool bit1 = _bs1.test(x);bool bit2 = _bs2.test(x);if (!bit1 && !bit2){return 0;}else if (!bit1 && bit2){return 1;}else if (bit1 && !bit2){return 2;}elsereturn 3;}
private:BitSet<N> _bs1;BitSet<N> _bs2;
};

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