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Go中如何使用set的方法示例

今天來聊一下 Go 如何使用 set，本文將會涉及 set 和 bitset 兩種數據結構。

Go 的數據結構

Go 內置的數據結構并不多。工作中，我們最常用的兩種數據結構分別是 slice 和 map，即切片和映射。其實，Go 中也有數組，切片的底層就是數組，只不過因為切片的存在，我們平時很少使用它。

除了 Go 內置的數據結構，還有一些數據結構是由 Go 的官方 container 包提供，如 heap 堆、list 雙向鏈表和ring 回環鏈表。但今天我們不講它們，這些數據結構，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。據我所知，其他一些語言，比如 Java，是有這兩種數據結構。但 Go 當前還沒有以任何形式提供。

實現思路

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 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 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，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，這會導致 set 多占一定內存空間，而 set 不該有這個問題。

怎么解決這個問題？

設置 value 為空結構體，在 Go 中，空結構體不占任何內存。當然，如果不確定，也可以來證明下這個結論。

unsafe.Sizeof(struct{}{}) // 結果為 0

優化后的代碼，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 上已經有個成熟的包，名為 golang-set，它也是采用這個思路實現的。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，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() {
 // 默認創建的線程安全的，如果無需線程安全
 // 可以使用 NewThreadUnsafeSet 創建，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，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，這些數據結構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

繼續聊聊 bitset，bitset 中每個數子用一個 bit 即能表示，對于一個 int8 的數字，我們可以用它表示 8 個數字，能幫助我們大大節省數據的存儲空間。

bitset 最常見的應用有 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 分別表示權限1、權限2和權限3，而且幾個權限可以共存。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才能表示這三個標志，但現在通過一個 uint8 就可以。bitset 的一些操作，如設置 Set、清除 Clear、切換 Toggle、檢查 Has 通過位運算就可以實現，而且非常高效。

bitset 對集合操作有著天然的優勢，直接通過位運算符便可實現。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置標志位。

以上的例子中只展示了少量數據的處理方式，uint8 占 8 bit 空間，只能表示 8 個數字。那大數據場景能否可以使用這套思路呢？

我們可以把 bitset 和 Go 中的切片結合起來，重新定義 Bits 類型，如下：

type Bitset struct {
 data []int64
}

但如此也會產生一些問題，設置 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 的數在切片索引位置和該 bit 在數字中的哪位，分別將它們命名為 index 和 position。那怎么獲取？

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，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，我們可以通過模運算獲得，比如 65 % 64 = 1，同樣為了效率，也有相應的位運算實現，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 n 設置 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。有興趣的朋友可以繼續嘗試。

其實，bitset 包也有人實現了，github地址 bit[5]。可以讀讀它的源碼，實現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
 })
}

執行結果：