c# 实现位图算法（BitMap）

C# 实现位图算法（BitMap）攻略

什么是位图算法

位图算法（BitMap），也称为比特映射算法。是一种基于位运算的数据结构。

它的原理是把数据映射到包含这些数据的整数范围内，利用0和1的二进制方式来记录数据是否出现过。当数据量庞大时，时间复杂度远低于其他数据结构，所以在一些需要高效的场景中应用广泛。

例如，在搜索引擎的爬虫程序中，经常需要对已爬取的网页进行去重。由于爬取的网页数十亿甚至上亿，如果使用其他数据结构去重，时间复杂度将会非常高，直接影响爬取效率。而位图算法能够在时间复杂度近似于O(1)的情况下完成去重，大大提高了效率。

C# 如何实现位图算法

在C#中，可以使用位运算符和数组来实现位图算法。

位运算符：
- &：按位与运算符，当且仅当两个操作数的某一位都为1时，结果的该位为1。
- |：按位或运算符，当且仅当两个操作数的某一位都为0时，结果的该位为0。
- ^：按位异或运算符，当且仅当两个操作数的某一位不相同时，结果的该位为1，否则该位为0。
- ~：按位取反运算符，操作数中每一位都会被反转。

下面，我们来看看如何实现位图算法。

1.声明位图数组

首先，我们需要根据需求确定位图数组的长度，并定义一个位图数组。

class BitMap {
    private int[] bitArray;  //用于存储数据的位图数组
    private int bitLength;   //位图数组的长度

    public BitMap(int length) {
        this.bitLength = length;
        this.bitArray = new int[(length >> 5) + 1];   //int类型占4个字节，右移5位等价于除以32
    }
}

2.操作位图数组

然后，我们需要实现各种操作，包括添加数据、判断数据是否存在等。下面是示例代码：

class BitMap {
    private int[] bitArray;  //用于存储数据的位图数组
    private int bitLength;   //位图数组的长度

    public BitMap(int length) {
        this.bitLength = length;
        this.bitArray = new int[(length >> 5) + 1];
    }

    //将数据加入位图数组中
    public void Set(int n) {
        int index = n >> 5;  //获取n所在的数组下标
        int offset = n & 31; //获取n在其所在的数组中的下标
        this.bitArray[index] |= 1 << offset;  //将n对应的bit位设置为1
    }

    //判断数据是否存在于位图数组中
    public bool Get(int n) {
        int index = n >> 5;
        int offset = n & 31;
        return (this.bitArray[index] & (1 << offset)) != 0;  //如果n对应的bit位的值为1，则返回true，否则返回false
    }
}

示例说明

示例1：去重分析

假设我们有一个包含100W个数字的数组，我们想要对这个数组进行去重。原来，我们可以使用HashSet等其他数据结构来进行去重，但时间复杂度会比较高，不能满足效率要求。因此，我们可以使用位图算法来完成去重。

下面是示例代码：

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        //生成随机数
        Random random = new Random();
        int[] arr = new int[1000000];
        for(int i=0;i<1000000;i++) {
            arr[i] = random.Next(100000, 1000999);
        }

        //去重
        BitMap bitMap = new BitMap(10000000);
        int[] newArr = new int[1000000];
        int count = 0;
        for(int i=0;i<1000000;i++) {
            if(!bitMap.Get(arr[i])) {
                bitMap.Set(arr[i]);
                newArr[count++] = arr[i];
            }
        }

        //输出去重后的结果
        Console.WriteLine("去重后的数组长度："+count);
        Console.ReadLine();
    }
}

示例2：判断存在

假设我们有一个文本文件，每行是一个数字，数量有100亿条，我们需要判断某个数字是否在这个文本文件中出现过。原来，我们可以使用HashSet等其他数据结构来进行判断，但时间复杂度会比较高，不能满足效率要求。因此，我们可以使用位图算法来完成判断。