今天來聊一下 Go 如何使用 set,本文將會涉及 set 和 bitset 兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
Go 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
Go 內(nèi)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不多。工作中,我們最常用的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別是 slice 和 map,即切片和映射。其實,Go 中也有數(shù)組,切片的底層就是數(shù)組,只不過因為切片的存在,我們平時很少使用它。
除了 Go 內(nèi)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),還有一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由 Go 的官方 container 包提供,如 heap 堆、list 雙向鏈表和ring 回環(huán)鏈表。但今天我們不講它們,這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),對于熟手來說,看看文檔就會使用了。
我們今天將來聊的是 set 和 bitset。據(jù)我所知,其他一些語言,比如 Java,是有這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但 Go 當(dāng)前還沒有以任何形式提供。
實現(xiàn)思路
先來看一篇文章,訪問地址 2 basic set implementations[1] 閱讀。文中介紹了兩種 go 實現(xiàn) set 的思路, 分別是 map 和 bitset。
有興趣可以讀讀這篇文章,我們接下來具體介紹下。
map
我們知道,map 的 key 肯定是唯一的,而這恰好與 set 的特性一致,天然保證 set 中成員的唯一性。而且通過 map 實現(xiàn) set,在檢查是否存在某個元素時可直接使用 _, ok := m[key] 的語法,效率高。
先來看一個簡單的實現(xiàn),如下:
set := make(map[string]bool) // New empty set
set["Foo"] = true // Add
for k := range set { // Loop
fmt.Println(k)
}
delete(set, "Foo") // Delete
size := len(set) // Size
exists := set["Foo"] // Membership
通過創(chuàng)建 map[string]bool 來存儲 string 的集合,比較容易理解。但這里還有個問題,map 的 value 是布爾類型,這會導(dǎo)致 set 多占一定內(nèi)存空間,而 set 不該有這個問題。
怎么解決這個問題?
設(shè)置 value 為空結(jié)構(gòu)體,在 Go 中,空結(jié)構(gòu)體不占任何內(nèi)存。當(dāng)然,如果不確定,也可以來證明下這個結(jié)論。
unsafe.Sizeof(struct{}{}) // 結(jié)果為 0
優(yōu)化后的代碼,如下:
type void struct{}
var member void
set := make(map[string]void) // New empty set
set["Foo"] = member // Add
for k := range set { // Loop
fmt.Println(k)
}
delete(set, "Foo") // Delete
size := len(set) // Size
_, exists := set["Foo"] // Membership
之前在網(wǎng)上看到有人按這個思路做了封裝,還寫了一篇文章[2],可以去讀一下。
其實,github 上已經(jīng)有個成熟的包,名為 golang-set,它也是采用這個思路實現(xiàn)的。訪問地址 golang-set[3],描述中說 Docker 用的也是它。包中提供了兩種 set 實現(xiàn),線程安全的 set 和非線程安全的 set。
演示一個簡單的案例。
package main
import (
"fmt"
mapset "github.com/deckarep/golang-set"
)
func main() {
// 默認創(chuàng)建的線程安全的,如果無需線程安全
// 可以使用 NewThreadUnsafeSet 創(chuàng)建,使用方法都是一樣的。
s1 := mapset.NewSet(1, 2, 3, 4)
fmt.Println("s1 contains 3: ", s1.Contains(3))
fmt.Println("s1 contains 5: ", s1.Contains(5))
// interface 參數(shù),可以傳遞任意類型
s1.Add("poloxue")
fmt.Println("s1 contains poloxue: ", s1.Contains("poloxue"))
s1.Remove(3)
fmt.Println("s1 contains 3: ", s1.Contains(3))
s2 := mapset.NewSet(1, 3, 4, 5)
// 并集
fmt.Println(s1.Union(s2))
}
輸出如下:
s1 contains 3: true
s1 contains 5: false
s1 contains poloxue: true
s1 contains 3: false
Set{4, polxue, 1, 2, 3, 5}
例子中演示了簡單的使用方式,如果有不明白的,看下源碼,這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作方法名都是很常見的,比如交集 Intersect、差集 Difference 等,一看就懂。
bitset
繼續(xù)聊聊 bitset,bitset 中每個數(shù)子用一個 bit 即能表示,對于一個 int8 的數(shù)字,我們可以用它表示 8 個數(shù)字,能幫助我們大大節(jié)省數(shù)據(jù)的存儲空間。
bitset 最常見的應(yīng)用有 bitmap 和 flag,即位圖和標志位。這里,我們先嘗試用它表示一些操作的標志位。比如某個場景,我們需要三個 flag 分別表示權(quán)限1、權(quán)限2和權(quán)限3,而且?guī)讉€權(quán)限可以共存。我們可以分別用三個常量 F1、F2、F3 表示位 Mask。
示例代碼如下(引用自文章 Bitmasks, bitsets and flags[4]):
type Bits uint8
const (
F0 Bits = 1 iota
F1
F2
)
func Set(b, flag Bits) Bits { return b | flag }
func Clear(b, flag Bits) Bits { return b ^ flag }
func Toggle(b, flag Bits) Bits { return b ^ flag }
func Has(b, flag Bits) bool { return bflag != 0 }
func main() {
var b Bits
b = Set(b, F0)
b = Toggle(b, F2)
for i, flag := range []Bits{F0, F1, F2} {
fmt.Println(i, Has(b, flag))
}
}
例子中,我們本來需要三個數(shù)才能表示這三個標志,但現(xiàn)在通過一個 uint8 就可以。bitset 的一些操作,如設(shè)置 Set、清除 Clear、切換 Toggle、檢查 Has 通過位運算就可以實現(xiàn),而且非常高效。
bitset 對集合操作有著天然的優(yōu)勢,直接通過位運算符便可實現(xiàn)。比如交集、并集、和差集,示例如下:
- 交集:a b
- 并集:a | b
- 差集:a (~b)
底層的語言、庫、框架常會使用這種方式設(shè)置標志位。
以上的例子中只展示了少量數(shù)據(jù)的處理方式,uint8 占 8 bit 空間,只能表示 8 個數(shù)字。那大數(shù)據(jù)場景能否可以使用這套思路呢?
我們可以把 bitset 和 Go 中的切片結(jié)合起來,重新定義 Bits 類型,如下:
type Bitset struct {
data []int64
}
但如此也會產(chǎn)生一些問題,設(shè)置 bit,我們怎么知道它在哪里呢?仔細想想,這個位置信息包含兩部分,即保存該 bit 的數(shù)在切片索引位置和該 bit 在數(shù)字中的哪位,分別將它們命名為 index 和 position。那怎么獲?。?/p>
index 可以通過整除獲取,比如我們想知道表示 65 的 bit 在切片的哪個 index,通過 65 / 64 即可獲得,如果為了高效,也可以用位運算實現(xiàn),即用移位替換除法,比如 65 >> 6,6 表示移位偏移,即 2^n = 64 的 n。
postion 是除法的余數(shù),我們可以通過模運算獲得,比如 65 % 64 = 1,同樣為了效率,也有相應(yīng)的位運算實現(xiàn),比如 65 0b00111111,即 65 63。
一個簡單例子,如下:
package main
import (
"fmt"
)
const (
shift = 6
mask = 0x3f // 即0b00111111
)
type Bitset struct {
data []int64
}
func NewBitSet(n int) *Bitset {
// 獲取位置信息
index := n >> shift
set := Bitset{
data: make([]int64, index+1),
}
// 根據(jù) n 設(shè)置 bitset
set.data[index] |= 1 uint(nmask)
return set
}
func (set *Bitset) Contains(n int) bool {
// 獲取位置信息
index := n >> shift
return set.data[index](1uint(nmask)) != 0
}
func main() {
set := NewBitSet(65)
fmt.Println("set contains 65", set.Contains(65))
fmt.Println("set contains 64", set.Contains(64))
}
輸出結(jié)果
set contains 65 true
set contains 64 false
以上的例子功能很簡單,只是為了演示,只有創(chuàng)建 bitset 和 contains 兩個功能,其他諸如添加、刪除、不同 bitset 間的交、并、差還沒有實現(xiàn)。有興趣的朋友可以繼續(xù)嘗試。
其實,bitset 包也有人實現(xiàn)了,github地址 bit[5]??梢宰x讀它的源碼,實現(xiàn)思路和上面介紹差不多。
下面是一個使用案例。
package main
import (
"fmt"
"github.com/yourbasic/bit"
)
func main() {
s := bit.New(2, 3, 4, 65, 128)
fmt.Println("s contains 65", s.Contains(65))
fmt.Println("s contains 15", s.Contains(15))
s.Add(15)
fmt.Println("s contains 15", s.Contains(15))
fmt.Println("next 20 is ", s.Next(20))
fmt.Println("prev 20 is ", s.Prev(20))
s2 := bit.New(10, 22, 30)
s3 := s.Or(s2)
fmt.Println("next 20 is ", s3.Next(20))
s3.Visit(func(n int) bool {
fmt.Println(n)
return false // 返回 true 表示終止遍歷
})
}
執(zhí)行結(jié)果:
s contains 65 true
s contains 15 false
s contains 15 true
next 20 is 65
prev 20 is 15
next 20 is 22
2
3
4
10
15
22
30
65
128
代碼的意思很好理解,就是一些增刪改查和集合的操作。要注意的是,bitset 和前面的 set 的區(qū)別,bitset 的成員只能是 int 整型,沒有 set 靈活。平時的使用場景也比較少,主要用在對效率和存儲空間要求較高的場景。
總結(jié)
本文介紹了Go 中兩種 set 的實現(xiàn)原理,并在此基礎(chǔ)介紹了對應(yīng)于它們的兩個包簡單使用。我覺得,通過這篇文章,Go 中 set 的使用,基本都可以搞定了。
除這兩個包,再補充兩個,zoumo/goset[6] 和 github.com/willf/bitset[7]。
參考資料
[1]2 basic set implementations: https://yourbasic.org/golang/implement-set/
[2]一篇文章: https://www.jb51.net/article/170043.htm
[3]golang-set: https://github.com/deckarep/golang-set
[4]Bitmasks, bitsets and flags: https://yourbasic.org/golang/bitmask-flag-set-clear/
[5]bit: https://github.com/yourbasic/bit
[6]zoumo/goset: https://github.com/zoumo/goset
[7]github.com/willf/bitset: https://github.com/willf/bitset
以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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