Golang 中如何实现 Set

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在Go编程中，数据结构的选择对解决问题至关重要。本文将探讨如何在 GO 中实现 set 和 bitset 两种数据结构，以及它们在Go中的应用场景。

Go 的数据结构

Go 内置的数据结构并不多。工作中，我们最常用的两种数据结构分别是 slice 和 map，即切片和映射。其实，Go 中也有数组，切片的底层就是数组，只不过因为切片的存在，我们平时很少使用它。

除了 Go 内置的数据结构，还有一些数据结构是由 Go 的官方 container 包提供，如 heap 堆、list 双向链表和ring 回环链表。但今天我们不讲它们，这些数据结构，对于熟手来说，看看文档就会使用了。

我们今天将来聊的是 set 和 bitset。据我所知，其他一些语言，比如 Java，是有这两种数据结构。但 Go 当前还没有以任何形式提供。

实现思路

先来看一篇文章，访问地址 2 basic set implementations 阅读。文中介绍了两种 go 实现 set 的思路，分别是 map 和 bitset。

有兴趣可以读读这篇文章，我们接下来具体介绍下。

map

我们知道，map 的 key 肯定是唯一的，而这恰好与 set 的特性一致，天然保证 set 中成员的唯一性。而且通过 map 实现 set，在检查是否存在某个元素时可直接使用 _, ok := m[key] 的语法，效率高。

先来看一个简单的实现，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

通过创建 map[string]bool 来存储 string 的集合，比较容易理解。但这里还有个问题，map 的 value 是布尔类型，这会导致 set 多占一定内存空间，而 set 不该有这个问题。

怎么解决这个问题？

设置 value 为空结构体，在 Go 中，空结构体不占任何内存。当然，如果不确定，也可以来证明下这个结论。

unsafe.Sizeof(struct{}{}) // 结果为 0

优化后的代码，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

之前在网上看到有人按这个思路做了封装，还写了一篇文章，可以去读一下。

其实，github 上已经有个成熟的包，名为 golang-set，它也是采用这个思路实现的。访问地址 golang-set，描述中说 Docker 用的也是它。包中提供了两种 set 实现，线程安全的 set 和非线程安全的 set。

演示一个简单的案例。

package main

import (
	"fmt"

	mapset "github.com/deckarep/golang-set"
)

func main() {
	// 默认创建的线程安全的，如果无需线程安全
	// 可以使用 NewThreadUnsafeSet 创建，使用方法都是一样的。
	s1 := mapset.NewSet(1, 2, 3, 4)
	fmt.Println("s1 contains 3: ", s1.Contains(3))
	fmt.Println("s1 contains 5: ", s1.Contains(5))

	// interface 参数，可以传递任意类型
	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))
}

输出如下：

s1 contains 3:  true
s1 contains 5:  false
s1 contains poloxue:  true
s1 contains 3:  false
Set{4, polxue, 1, 2, 3, 5}

例子中演示了简单的使用方式，如果有不明白的，看下源码，这些数据结构的操作方法名都是很常见的，比如交集 Intersect、差集 Difference 等，一看就懂。

bitset

继续聊聊 bitset，bitset 中每个数子用一个 bit 即能表示，对于一个 int8 的数字，我们可以用它表示 8 个数字，能帮助我们大大节省数据的存储空间。

bitset 最常见的应用有 bitmap 和 flag，即位图和标志位。这里，我们先尝试用它表示一些操作的标志位。比如某个场景，我们需要三个 flag 分别表示权限1、权限2和权限3，而且几个权限可以共存。我们可以分别用三个常量 F1、F2、F3 表示位 Mask。

示例代码如下（引用自文章 Bitmasks, bitsets and flags）：

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 b&flag != 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，我们本来需要三个数才能表示这三个标志，但现在通过一个 uint8 就可以。bitset 的一些操作，如设置 Set、清除 Clear、切换 Toggle、检查 Has 通过位运算就可以实现，而且非常高效。

bitset 对集合操作有着天然的优势，直接通过位运算符便可实现。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)

底层的语言、库、框架常会使用这种方式设置标志位。

以上的例子中只展示了少量数据的处理方式，uint8 占 8 bit 空间，只能表示 8 个数字。那大数据场景能否可以使用这套思路呢？

我们可以把 bitset 和 Go 中的切片结合起来，重新定义 Bits 类型，如下：

type Bitset struct {
    data []int64
}

但如此也会产生一些问题，设置 bit，我们怎么知道它在哪里呢？仔细想想，这个位置信息包含两部分，即保存该 bit 的数在切片索引位置和该 bit 在数字中的哪位，分别将它们命名为 index 和 position。那怎么获取？

index 可以通过整除获取，比如我们想知道表示 65 的 bit 在切片的哪个 index，通过 65 / 64 即可获得，如果为了高效，也可以用位运算实现，即用移位替换除法，比如 65 >> 6，6 表示移位偏移，即 2^n = 64 的 n。

postion 是除法的余数，我们可以通过模运算获得，比如 65 % 64 = 1，同样为了效率，也有相应的位运算实现，比如 65 & 0b00111111，即 65 & 63。

一个简单例子，如下：

package main

import (
	"fmt"
)

const (
	shift = 6
	mask  = 0x3f // 即0b00111111
)

type Bitset struct {
	data []int64
}

func NewBitSet(n int) *Bitset {
	// 获取位置信息
	index := n >> shift

	set := &Bitset{
		data: make([]int64, index+1),
	}

	// 根据 n 设置 bitset
	set.data[index] |= 1 << uint(n&mask)

	return set
}

func (set *Bitset) Contains(n int) bool {
	// 获取位置信息
	index := n >> shift
	return set.data[index]&(1<<uint(n&mask)) != 0
}

func main() {
	set := NewBitSet(65)
	fmt.Println("set contains 65", set.Contains(65))
	fmt.Println("set contains 64", set.Contains(64))
}

输出结果

set contains 65 true
set contains 64 false

以上的例子功能很简单，只是为了演示，只有创建 bitset 和 contains 两个功能，其他诸如添加、删除、不同 bitset 间的交、并、差还没有实现。有兴趣的朋友可以继续尝试。

其实，bitset 包也有人实现了，github地址 bit。可以读读它的源码，实现思路和上面介绍差不多。

下面是一个使用案例。

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 表示终止遍历
	})
}

执行结果：

s contains 65 true
s contains 15 false
s contains 15 true
next 20 is 65
prev 20 is 15
next 20 is 22
2
3
4
10
15
22
30
65
128

代码的意思很好理解，就是一些增删改查和集合的操作。要注意的是，bitset 和前面的 set 的区别，bitset 的成员只能是 int 整型，没有 set 灵活。平时的使用场景也比较少，主要用在对效率和存储空间要求较高的场景。

总结

本文介绍了Go 中两种 set 的实现原理，并在此基础介绍了对应于它们的两个包简单使用。我觉得，通过这篇文章，Go 中 set 的使用，基本都可以搞定了。

除这两个包，再补充两个，zoumo/goset 和 github.com/willf/bitset。

博文地址：Golang 中如何实现 Set