最近在公司業務上用到了二進制匹配數據，但是MongoDB進行二進制運算（Bitwise）沒用過，網上博客文章少，所以就上官網看API，因此記錄一下，順便在普及一下使用二進制位運算的一些應用。

在MongoDB的V3.2版本以后才支持的位運算，在這個版本之前是不支持，所以想要用位運算，需先將MongoDB的版本升級至V3.2。

說明

查詢操作

在官方文檔中，在查詢操作中共支持四種位運算方法，官方文檔鏈接

$bitsAllClear	所有指定二進制的位數都為0
$bitsAllSet	所有指定二進制的位數都為1
$bitsAnyClear	任意一位指定二進制的位數為0
$bitsAnySet	任意一位指定二進制的位數為1

這個指定的位數是不是有點難以理解

例如255這個數字的二進制有8位，那么位數則是position指定的位置，Integer的最大值為2的31次方，那么指定的位置（position）最大為31位

bit	1	1	1	1	1	1	1	1
position	7	6	5	4	3	2	1	0

更新操作

使用$bit進行更新操作，支持and|or|xor?三種位運算符?即對應位運算符的? &（與） 、|（或） 、~（異或）

將指定列的值（field）通過指定的位運算計算出的結果更新至數據庫中，下面有示例

更新語法如下：

{ $bit: { <field>: { <and|or|xor>: <int> } } }

位運算的使用

查詢操作

在MongoDB數據庫中user集合的數據為：

{ "_id" : "03ddb005-6e8e-45b9-be74-9c840f925f1f", "name" : "Tomcar", "bitData" : NumberLong(100), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "dccb1549-bbaf-438b-9c52-dd9549de6fde", "name" : "Java", "bitData" : NumberLong(20), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "1bcf44ba-92ee-4dda-ae1b-4b0b28816fc1", "name" : "python", "bitData" : NumberLong(131), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "50b76890-d533-4455-8a13-fce98bbd96fe", "name" : "php", "bitData" : NumberLong(8), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }

二進制對應

100	0110 0100
20	0001 0100
131	1000 0011
8	0000 1000

$bitsAllSet

執行命令：

db.user.find({"bitData":{$bitsAllSet:[1,4]}}) //將二進制的第2位以及第5位上為1的匹配出來

?結果：

{ "_id" : "1bcf44ba-92ee-4dda-ae1b-4b0b28816fc1", "name" : "python", "bitData" : NumberLong(131), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }

$bitsAllClear

執行命令：

db.user.find({"bitData":{$bitsAllClear:[1,4]}}); //將二進制的第2位以及第5位上為0的匹配出來

結果：

{ "_id" : "03ddb005-6e8e-45b9-be74-9c840f925f1f", "name" : "Tomcar", "bitData" : NumberLong(100), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "50b76890-d533-4455-8a13-fce98bbd96fe", "name" : "php", "bitData" : NumberLong(8), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }

?$bitsAnyClear

執行命令：

db.user.find({"bitData":{$bitsAnyClear:[1,4]}}); //將第2位或者第5位上為0的查詢出來

結果：

{ "_id" : "03ddb005-6e8e-45b9-be74-9c840f925f1f", "name" : "Tomcar", "bitData" : NumberLong(100), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "dccb1549-bbaf-438b-9c52-dd9549de6fde", "name" : "Java", "bitData" : NumberLong(20), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "1bcf44ba-92ee-4dda-ae1b-4b0b28816fc1", "name" : "python", "bitData" : NumberLong(131), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "50b76890-d533-4455-8a13-fce98bbd96fe", "name" : "php", "bitData" : NumberLong(8), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }

?$bitsAnySet

執行命令：

db.user.find({"bitData":{$bitsAnySet:[1,4]}}); //將第2位或者第5位上為1的查詢出來

結果：

{ "_id" : "dccb1549-bbaf-438b-9c52-dd9549de6fde", "name" : "Java", "bitData" : NumberLong(20), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "1bcf44ba-92ee-4dda-ae1b-4b0b28816fc1", "name" : "python", "bitData" : NumberLong(131), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }

通過數字進行位運算

如果不是用過指定位數進行運算的話，而是指定數字進行的話，查詢結果$bitsAllClear與$bitsAnyClear一致；$bitsAllSet與$bitsAnySet一致。

示例：

命令：
db.user.find({"bitData":{$bitsAnySet:4}})
結果：
{ "_id" : "03ddb005-6e8e-45b9-be74-9c840f925f1f", "name" : "Tomcar", "bitData" : NumberLong(100), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "dccb1549-bbaf-438b-9c52-dd9549de6fde", "name" : "Java", "bitData" : NumberLong(20), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }命令：
db.user.find({"bitData":{$bitsAnyClear:4}})
結果：
{ "_id" : "1bcf44ba-92ee-4dda-ae1b-4b0b28816fc1", "name" : "python", "bitData" : NumberLong(131), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "50b76890-d533-4455-8a13-fce98bbd96fe", "name" : "php", "bitData" : NumberLong(8), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }

大家可以各自去試一下。

更新操作

在命令中指定更新某個ID的bitData列，當前列數據為8，這里通過使用與（&）運算做示例：

db.user.update({"_id":"50b76890-d533-4455-8a13-fce98bbd96fe"},{$bit:{"bitData":{and:NumberLong(4)}}})

結果集：

{ "_id" : "03ddb005-6e8e-45b9-be74-9c840f925f1f", "name" : "Tomcar", "bitData" : NumberLong(100), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "dccb1549-bbaf-438b-9c52-dd9549de6fde", "name" : "Java", "bitData" : NumberLong(20), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "1bcf44ba-92ee-4dda-ae1b-4b0b28816fc1", "name" : "python", "bitData" : NumberLong(131), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }
{ "_id" : "50b76890-d533-4455-8a13-fce98bbd96fe", "name" : "php", "bitData" : NumberLong(0), "_class" : "com.mongodb.mongo_test.bean.User" }

其他的兩個命令也可以各自調試。

在Java代碼中使用位運算

查詢操作

在Spring Boot封裝好的MongoTemplate中帶條件查詢使用Query以及Criteria配合使用，使用位運算的話需使用Criteria的bits()方法：這些方法對應上面的四個方法

而采用Mongo客戶端查詢位運算：

	MongoCollection<Document> collection = mongoTemplate.getCollection("user");Document filter = new Document();//0110 0100 100//0001 0100 20//1000 0011 131//0000 1000 8filter.append("bitData", new Document("$bitsAllClear", Arrays.asList(1,4)) );/*** $bitsAllClear 進行位運算并且計算結果為 0 的匹配出來* $bitsAllSet 進行位運算并且計算結果不為 0 的匹配出來* $bitsAnyClear 進行位運算并且計算結果為 0 的匹配出來* $bitsAnySet 進行位運算并且計算結果不為 0 的匹配出來*/FindIterable<Document> iterable = collection.find(filter);MongoCursor<Document> iterator = iterable.iterator();System.out.println("采用Bson形式查詢");while(iterator.hasNext()) {Document next = iterator.next();Object object = next.get("bitData");if(object instanceof Long)System.out.println(Long.toBinaryString((Long) object));System.out.println(next);}

?更新操作

在SpringBoot的MongoTemplate的更新操作為：

	Update update = new Update();update.bitwise("bitData").and(2);mongoTemplate.updateFirst(Query.query(Criteria.where("_id").is("50b76890-d533-4455-8a13-fce98bbd96fe")), update, User.class);

?采用mongo的客戶端為：

MongoCollection<Document> collection = mongoTemplate.getCollection("user");
collection.updateOne(new Document().append("_id", "50b76890-d533-4455-8a13-fce98bbd96fe"),Updates.bitwiseAnd("bitData", Long.valueOf(4)));

位運算的應用

位運算即使用二進制進行計算，所以這個的計算效率是最快的，先看一下常用使用的位運算

public static void main(Stringa rgs []){//位與  &(1&1=1 1&0=0 0&0=0)
System.out.println("the 4 is "+Integer.toBinaryString(4));
System.out.println("the 6 is "+Integer.toBinaryString(6));
System.out.println("the 4&6 is "+Integer.toBinaryString(4&6));
//位或 | (1|1=1 1|0=1 0|0=0)
System.out.println("the 4|6 is "+Integer.toBinaryString(4|6));
//位非~（~1=0  ~0=1）
System.out.println("the ~4 is "+Integer.toBinaryString(~4));
//位異或 ^ (1^1=0 1^0=1 0^0=0)
System.out.println("the 4^6 is "+Integer.toBinaryString(4^6));
// <<有符號左移 >>有符號的右移  >>>無符號右移
//取模的操作 a % (2^n) 等價于 a&(2^n-1)
System.out.println("the 345 % 16 is "+(345%16)+ " or "+(345&(16-1)));
}

運算結果為：

the 4 is 100
the 4 is 100
the 6 is 110
the 4&6 is 100
the 4|6 is 110
the ~4 is 11111111111111111111111111111011
the 4^6 is 10
the 345 % 16 is 9 or 9

雖然看起來平常開發用不到，但是可以使用到權限這一塊由于Integer最大值可以到2的31次方，所以單個數字就可以存儲31中權限，不僅僅可以在業務上使用；

在JDK的反射包中有個類Modifier.class，這個類是采集每個Class的中修飾符以及類型。不僅僅是反射在JUC的包中也使用到了這個位運算，因為運算速度快，所以在很多基礎框架中用的還是很多的。

?