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使用BitMask写出高效的程序

为什么要使用 BitMask

在前一篇文章:Android 中的 Enum 到底占多少内存?该如何用? 中提到内存占用的问题。

对于 Java 类应用,内存方面需要注意:

  1. 不要占用大量内存,否则可用内存少;触发 GC 或 OutOfMemoryError;
  2. 不要频繁创建对象,频繁内存分配,触发 GC。

对于枚举和常量:

  1. 使用枚举,并不会使得对象的创建更加频繁。
  2. 枚举类会比常量占用更多的内存,在程序运行期间,如果不卸载枚举类,内存就一直占用着。

相对于常量,枚举占用的内存是较为可观的。

使用常量,可以大量节省内存,在 C 之类的语言中,大量使用 BitMask 来进行状态表示。

在 Android 中,也大量地使用了 BitMask,比如 android.vie.View 这个类。

位操作

在使用 BitMask 前,我们先复习一下基本的位操作。

1. NOT

 NOT 0000 0001
   = 1111 1110

比如:

 int a = 1; 
 int b = ~a;

2. OR

 OR  0000 0001
     0000 0010
   = 0000 0011

比如:

 int a = 1; 
 int b = 2; 
 int c = a | b; 

3. AND

 AND 0000 0101
     0000 0110
   = 0000 0100

比如:

 int a = 5; 
 int b = 6; 
 int c = a & b; 

BitMask

我们知道,每一个 bit 可以有两种取值:0 或 1。

BitMask 采用一个数值来记录状态,使用这个数值的每一位来表达一个状态。

使用 BitMask 可用非常少的资源表达非常丰富的状态。

在 Java 中,一个 byte 类型,有 8 位(bit),可以表达 8 个不同的状态,并且这些状态是互不影响的。而 int 类型,则有 32 位,可以表达 32 种状态。

更为重要的是,基于 BitMask 可非常简单地进行组合状态查询。

BitMask 基本操作

假设我们用一个表示状态的数值: status,初始值为 0。

byte status = 0;

我们定义一个 mask 数值,该数第二位为 1:0000 0010。

我们把 1 往左移动 1 位来得到这个数:

byte mask = 0x01 << 1;

1. 设置状态

其他位不管,把第 2 位变为 1 即可。

    xxxx xxxx
OR  0000 0010
  = xxxx xx1x

代码

status |= mask;

2. 清除状态

其他位不管,把第 2 位置为 0。

    xxxx xxxx
AND 1111 1101
  = xxxx xx0x

这实际是对 status 和 mask 的反码进行逻辑『与』运算:

status &= ~mask;

3. 查询状态

确定第 2 位是 0 还是 1,和 mask 进行逻辑『与』运算:

    xxxx xxxx
AND 0000 0010
  = 0000 00x0

如果为 1,返回一个大于 0 的值,否则返回 0。

boolean isOn = (status & mask) > 0;

例子

下面结合一个例子来做说明。

相关代码在这里: https://github.com/liaohuqiu/android-BitMaskSample

李白是个诗人,生活简单『朴素』:有时候写诗;有时候喝酒;有时候边写诗,边喝酒。

不管是忙于写诗还是忙于喝酒,李白都是在忙碌状态中。

我们用一个字节来表示他的状态,一个字节有 8 位,我们从低位起开始取两位分别代表写诗和喝酒。

   writing  ------+
                  |
                  v
     -------+---+---+---+
       x  x |   |   | x |
     -------+---+---+---+
              ^
              |
   drinking --+

两个 mask 为:

// 0000 0010
private static final 
    byte STATE_BUSY_IN_WRITING = 0x01 << 1; 

// 0000 0100
private static final 
    byte STATE_BUSY_IN_DRINKING = 0x01 << 2;

1. 状态设置与清除

以设置 drinking 状态为例子,设置状态即和 mask 值进行逻辑『或』,清除状态与 mask 的反码进行逻辑『与』运算。

void setBusyInDrinking
      (boolean busy) { 
  if (busy) {
    mState |= STATE_BUSY_IN_DRINKING; 
  } else { 
    mState &= ~STATE_BUSY_IN_DRINKING; 
  } 
}

2. 状态查询

与 mask 进行逻辑『与』运行,判断是否为零即可:

boolean isBusyInDrinking() { 
return (
  mState & STATE_BUSY_IN_DRINKING) != 0;
}

3. 组合状态查询

不管是忙于写诗还是忙于饮酒,都称为『李白很忙』,这是一种组合状态。只要处于这两种状态中的一种,即处于组合状态中。

要进行状态组合,用逻辑『或』运算即可,当进行多个状态组合时,特别方便:

STATE_BUSY_MASK = 
STATE_BUSY_IN_WRITING | STATE_BUSY_IN_DRINKING

判断是否处于组合状态中:

 public boolean isBusy() { 
   return (mState & STATE_BUSY_MASK) != 0; 
 }

Android 中的 IntDef

使用 IntDef 注解来声明常量值,定义变量时,加上 IntDef 所定义的声明,编译器会检查赋值是否合法。

声明:

// 最后 8 位 0000 1100
static final int VISIBILITY_MASK = 0x0000000C; 

public static final int VISIBLE = 0x00000000;

// 最后 8 位 0000 0100
public static final int INVISIBLE = 0x00000004; 

// 最后 8 位 0000 1000
public static final int GONE = 0x00000008; 

@IntDef({VISIBLE, INVISIBLE, GONE}) 
@Retention(RetentionPolicy.SOURCE) 
public @interface Visibility {} 

使用:

void setVisibility(@Visibility int visibility) { 
}

上面我们看到,代码中采用了最左的 3,4 位来表达 View 的可见性。

结论

除了 IntDef,还有 StringDef,有兴趣的同学可以看源码。

在 Android 的代码中有大量的 BitMask 的运用,像 View,MotionEvent 这样的核心基础类中,需要认真考虑内存的使用,能省则省。

如果你真想完全地掌控内存的使用,追求卓越的品质,想最大限度节省内存,BitMask 是你不错的选择。

同时,我们也应该清楚枚举也不是不能用。

我听到过很多论调,说用『枚举不好,官方也建议别用,因为占用很多内存,效率不高』,这些也都是人云亦云的典型。

实际上,除非你写的是类似 View 这样的核心基础类或者超大型应用,否则,如果连枚举这样内存开销都有问题的话,这个项目的问题就真的大了。

感谢作者@廖祜秋liaohuqiu_秋百万的授权,示例代码在:Poet.java, 测试用例在: ExampleUnitTest.java。作者特别提醒:代码片段,仅供参考,请勿 star。
作者个人公众号:秋百万,博客地址:http://www.liaohuqiu.net/

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