RoaringBitmap

RoaringBitmap 的实现原理
RoaringBitmap 的核心思想是将整数集合划分为 块(chunk),并根据每块的稀疏程度选择不同的存储格式。

  1. 分块(Chunking)
    整个整数集合按固定大小(通常是
    2
    16
    2
    16
    即 65536)划分为多个块。
    每个块存储一个 16 位的整数范围(即 0 到 65535)。
    块的索引由整数的高位决定,例如:
    整数 123456 属于第 1 块(索引为
    123456
    ÷
    65536
    =
    1
    123456÷65536=1)。
    低位部分
    123456
    m
    o
    d


    65536
    =
    57920
    123456mod65536=57920 存储在块内。
  2. 三种存储方式
    根据每个块中整数的密度,RoaringBitmap 动态选择以下三种存储方式:

Array Container:

用于存储稀疏数据。
将块内的整数用一个有序数组存储。
适用于块内整数少于 4096 个的情况。
Bitmap Container:

用于存储较密集数据。
用一个固定大小的位图(bitmap)存储块内的整数。
适用于块内整数超过 4096 个的情况。
Run-length Encoding Container:

用于存储连续整数范围。
用一个运行长度编码(RLE)的方式压缩存储。
RoaringBitmap 的操作效率

  1. 查询
    确定整数在哪个块,然后快速查找块内存储结构。
    时间复杂度接近
    O(1)。
  2. 集合操作
    RoaringBitmap 针对分块的设计使得集合操作(如并集、交集)可以逐块并行处理。
    复杂度通常是线性
    O(n)(与块的数量相关),性能远超传统位图。
  3. 遍历
    遍历所有整数时,只需按块逐一访问数据,避免无效空间的开销。
    RoaringBitmap 的优势
    节省空间:

在稀疏场景下比普通位图节省大量内存。
在密集场景下依然接近普通位图的性能。
高性能:

对整数集合的操作非常快(如并集、交集、差集等)。
跨平台支持:

RoaringBitmap 有多种语言实现,包括 C++、Java、Python、Rust 等。
灵活性强:

动态选择存储格式,适应不同密度的整数集合。
RoaringBitmap 的应用场景
大规模稀疏数据的索引:

用于倒排索引,存储文档中包含特定关键词的 ID 集合。
高效范围查询:

快速确定某个范围内的整数分布,适用于基因组学或图分析中的范围检索。
实时分析:

实时统计和集合操作,如用户行为日志的快速处理。
压缩存储:

高效压缩和存储整数集合,特别是稀疏集合。

use roaring::RoaringBitmap;

fn main() {
    let mut rb = RoaringBitmap::new();
    
    // 插入整数
    rb.insert(1);
    rb.insert(100);
    rb.insert(1000);
    
    // 查询整数是否存在
    assert!(rb.contains(100));
    assert!(!rb.contains(50));
    
    // 集合操作
    let mut rb2 = RoaringBitmap::new();
    rb2.insert(100);
    rb2.insert(500);
    
    let union = &rb | &rb2; // 并集
    let intersection = &rb & &rb2; // 交集
    
    println!("Union: {:?}", union);
    println!("Intersection: {:?}", intersection);
}

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