Java位图（Bitmap）详解：从入门到实战应用

码里看花‌

于 2025-04-29 09:27:00 发布

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文章标签： java 开发语言

本文链接：https://blog.csdn.net/hellojava6666/article/details/147601048

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导语：位图（Bitmap）是一种高效存储和操作大量布尔值的数据结构。本文将从基础概念讲起，逐步深入位图的原理、应用场景及Java实现，助你轻松掌握这一高频面试知识点。

一、什么是位图？

位图（Bitmap） 是一种利用二进制位（0或1）来存储数据的数据结构。每个二进制位代表一个状态，常用于高效处理存在性判断、去重、签到统计等场景。

传统方案 vs 位图

传统方案：使用boolean数组存储数据，每个元素占1字节（8位）。
位图方案：每个元素仅占1位，空间利用率提升8倍！

示例：存储1000万个用户的签到状态

boolean[]需要约10MB（10000000 / 1024 / 1024 ≈ 9.54MB）
位图仅需约1.25MB（10000000 / 8 / 1024 / 1024 ≈ 1.19MB）

二、位图核心原理

1. 存储结构

使用连续的内存块（如int[]或long[]数组）存储位数据。
计算位置：确定元素在数组中的索引和偏移量。
- 索引：元素值 / 32（int占32位）
- 偏移：元素值 % 32

2. 核心操作

设置位：将指定位置为1
清除位：将指定位置为0
查询位：判断指定位置是否为1

三、位图应用场景

1. 用户签到统计

用位图的每一位代表用户某天是否签到。
每月签到仅需31位，全年仅需365位。

2. 数据去重

快速判断元素是否存在，避免重复插入。

3. 布隆过滤器

位图是布隆过滤器实现的基础结构，用于高效判断元素可能存在或绝对不存在。

四、Java位图实现

1. 使用`BitSet`类

Java内置的BitSet类提供了位图操作API。

import java.util.BitSet;

public class BitSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        BitSet bitmap = new BitSet(100); // 初始化100位的位图
        
        // 设置第5位为1（签到）
        bitmap.set(5);
        
        // 检查第5位是否为1
        System.out.println("第5天是否签到：" + bitmap.get(5)); // true
        
        // 清除第5位
        bitmap.clear(5);
        System.out.println("清除后：" + bitmap.get(5)); // false
    }
}

2. 手动实现位图

通过int[]数组和位运算手动实现位图：

public class CustomBitmap {
    private int[] bits; // 存储位数据
    
    public CustomBitmap(int capacity) {
        // 计算需要多少个int来存储capacity位
        bits = new int[(capacity >> 5) + 1]; // capacity/32 +1
    }
    
    // 设置位
    public void set(int pos) {
        int index = pos >> 5;       // 计算数组索引（等价于pos/32）
        int offset = pos & 0x1F;    // 计算偏移量（等价于pos%32）
        bits[index] |= (1 << offset); // 将指定位置1
    }
    
    // 清除位
    public void clear(int pos) {
        int index = pos >> 5;
        int offset = pos & 0x1F;
        bits[index] &= ~(1 << offset); // 将指定位清0
    }
    
    // 查询位
    public boolean get(int pos) {
        int index = pos >> 5;
        int offset = pos & 0x1F;
        return (bits[index] & (1 << offset)) != 0;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomBitmap bitmap = new CustomBitmap(100);
        bitmap.set(10); // 设置第10位
        System.out.println("第10位状态：" + bitmap.get(10)); // true
        bitmap.clear(10);
        System.out.println("清除后：" + bitmap.get(10)); // false
    }
}