接着上一篇Blog：一道面试题与Java位操作 和 BitSet 库的使用，分析下Java源码中BitSet类的源码。

位图(Bitmap)，即位(Bit)的集合，是一种常用的数据结构，可用于记录大量的0-1状态，在很多地方都会用到，比如Linux内核(如inode，磁盘块)、Bloom Filter算法等，其优势是可以在一个非常高的空间利用率下保存大量0-1状态。在Java中，直接面向程序员的最小数据操作粒度是byte，并不提供能够直接操作某个bit的途径，但是程序员可以通过使用位运算符(& | ~ << >> 等等)自己封装位操作。如果不想自己动手，可以使用Java内置的BitSet类，其实现了位图数据结构并提供了一系列有用的接口。

java.util.BitSet这个类不大，代码不到1200行，理解起来也不困难，下面分析一下关键的几处代码。(注意下面的代码是基于Oracle jdk1.7.0_45，或者点击这里看源码)：

1.一些属性

1 /*

2 * BitSets are packed into arrays of "words." Currently a word is3 * a long, which consists of 64 bits, requiring 6 address bits.4 * The choice of word size is determined purely by performance concerns.5 */

6 private final static int ADDRESS_BITS_PER_WORD = 6;7 private final static int BITS_PER_WORD = 1 <

10 /*Used to shift left or right for a partial word mask*/

11 private static final long WORD_MASK = 0xffffffffffffffffL;

其实注释已经写得很清楚，BitSet是用long[]来存储数据，一个long是64个bit，所以ADDRESS_BITS_PER_WORD就是6(2^6=64，即表示64个值需要6个地址线的意思)。BITS_PER_WORD是1算数左移6位，即1 × 2^6 = 64，意为一个“字”(long)包含64个bit。BIT_INDEX_MASK是63，即16进制的0x3f，可理解成低6位全为1。WORD_MASK，全1，用于掩码。

至于为什么选择long这种数据类型，注释的解析是基于性能的原因，现在64位CPU已经非常普及，可以一次把一个64bit长度的long放进寄存器作计算。

1 **

2 * The internal field corresponding to the serialField "bits".3 */

4 private long[] words;

属性words即为实际存储数据的地方.

2.一些公共函数

1 /**

2 * Given a bit index, return word index containing it.3 */

4 private static int wordIndex(intbitIndex) {5 return bitIndex >>ADDRESS_BITS_PER_WORD;6 }

这个静态函数在很多其它函数中会用到，用途是传入一个bit的索引值bitIndex，返回这个bit所在的那个long在long[]中的索引值。就是把bitIndex算数右移6位，也就是bitIndex除以64，因为long长度是64bit。比如第50个bit所对应的long就是50 / 64 = 0，即words中的第0个long。

3.构造函数

1 /**

2 * Creates a new bit set. All bits are initially {@codefalse}.3 */

4 publicBitSet() {5 initWords(BITS_PER_WORD);6 sizeIsSticky = false;7 }8

9 /**

10 * Creates a bit set whose initial size is large enough to explicitly11 * represent bits with indices in the range {@code0} through12 * {@codenbits-1}. All bits are initially {@codefalse}.13 *14 *@paramnbits the initial size of the bit set15 *@throwsNegativeArraySizeException if the specified initial size16 * is negative17 */

18 public BitSet(intnbits) {19 //nbits can't be negative; size 0 is OK

20 if (nbits < 0)21 throw new NegativeArraySizeException("nbits < 0: " +nbits);22

23 initWords(nbits);24 sizeIsSticky = true;25 }26

27 private void initWords(intnbits) {28 words = new long[wordIndex(nbits-1) + 1];29 }

如果用户调用默认构造函数，则会分配一个长度为64bit的BitSet，如果BitSet(int nbits)，则会分配一个大于等于nbits并且是64的整数倍的BitSet，比如调用BitSet(100)，则会分配长度为128的BitSet(即2个long)。

public static BitSet valueOf(long[] longs)public staticBitSet valueOf(LongBuffer lb)public static BitSet valueOf(byte[] bytes)public static BitSet valueOf(ByteBuffer bb)

BitSet也提供了一些静态函数让用户从一些已有的数据结构中直接构造BitSet。注意上面4个函数都是会把传入参数拷贝一个副本以供BitSet自己使用，所以并不会改变传入参数的数据。

4.动态扩展容量

上一篇Blog提到过，BitSet能够在一些操作(如Set())的时候，如果传入参数大于BitSet本身已有的长度，则它会自动扩展到所需长度。主要以来下面的函数：

1 /**

2 * Ensures that the BitSet can hold enough words.3 *@paramwordsRequired the minimum acceptable number of words.4 */

5 private void ensureCapacity(intwordsRequired) {6 if (words.length

8 int request = Math.max(2 *words.length, wordsRequired);9 words =Arrays.copyOf(words, request);10 sizeIsSticky = false;11 }12 }

这个函数的传入参数wordsRequired表示需要多少个“字”，它会与当前words的长度作比较，如果wordsRequired比较大的话，则会新建一个long[]，长度取当前words长度的2倍与wordsRequired中较大的那个值，最后把当前words的内容拷贝到新long[]中，并把这个words指向这个新long[]。这就完成了动态扩容，跟ArrayList的实现方式非常类似，另一方面也看到这份代码不是线程安全的，多线程竞争下必须用户手动同步。

5.flip反转某一位

1 /**

2 * Sets the bit at the specified index to the complement of its3 * current value.4 *5 *@parambitIndex the index of the bit to flip6 *@throwsIndexOutOfBoundsException if the specified index is negative7 *@since1.48 */

9 public void flip(intbitIndex) {10 if (bitIndex < 0)11 throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " +bitIndex);12

13 int wordIndex =wordIndex(bitIndex);14 expandTo(wordIndex);15

16 words[wordIndex] ^= (1L <

18 recalculateWordsInUse();19 checkInvariants();20 }

flip函数提供反转某一个位的功能。做法是先找到bitIndex所在的long，然后把这个long跟(1L << bitIndex)做“异或”操作(XOR)。注意bitIndex是可以大于63的，左移运算符(<

6.clear清除某一个位的值

1 /**

2 * Sets the bit specified by the index to {@codefalse}.3 *4 *@parambitIndex the index of the bit to be cleared5 *@throwsIndexOutOfBoundsException if the specified index is negative6 *@sinceJDK1.07 */

8 public void clear(intbitIndex) {9 if (bitIndex < 0)10 throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " +bitIndex);11

12 int wordIndex =wordIndex(bitIndex);13 if (wordIndex >=wordsInUse)14 return;15

16 words[wordIndex] &= ~(1L <

18 recalculateWordsInUse();19 checkInvariants();20 }

其实也就是把某一个位设为0。过程与上面flip类似，但进行的位运算不一样，这里是把(1L << bitIndex)取反再跟words[wordIndex]进行“与”运算(AND)。原理其实很简单，布尔运算中一个值和1做AND运算，则其值不变；而如果和0做AND运算，则结果为0。比如：1100 & ~(0100) 等于 1100 & 1011 = 1000.

另外BitSet还提供了get, set接口、跟另一个BitSet对象做AND/OR/XOR运算的接口,这些都是用到位运算,比较好理解,不再赘述,请自行参考API.