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Lucene 中的 VInt

零 版本 Lucene-Core 版本 8.8.2
一 简介 Lucene 的 Index 设计基本依赖磁盘存储，而倒排索引是依赖大量冗余数据来完成分词搜索的技术，所以 Lucene 在设计的时候用了很多时间换空间的数据压缩技术，以此保障能在最少的磁盘资源来储存最多的数据。VInt 就是其中一个很有意思的结构设计。
二 技术原理 1 概要
Java 中一个普通的 int 占据 4 个 byte。
但是当 int 的值为 -128 ～ 127 的时候，其实只需要一个 byte 就可以放得下了，其它三个 byte 都是无意义的冗余（其它几个 byte 所能代表的区间以此类推），真实能够用满这四个 byte 的情况并不多。VInt 的意思是 variant int，也就是可变的 int。其本质是按需分配，减少这种冗余。
2 byte 指示位
一个正常的 byte 有八个数据有效位，而 VInt 中只有七个，最高位变成了后一个 byte 的指示位。

  • 最高位为 1，代表后一个 byte 依然是当前数据
  • 最高位为 0，代表后面没有数据了
    3 VInt 的副作用
  • 对于正数来说，由于只有七个数据位，所以当 int 的值比较大的时候，可能会需要 5 个 byte 才能表述当前的数据（这个问题无法被解决，VInt 也觉得无需解决，因为情况在真实生产中并不多）
  • 对于负数来说，最高位为 1，无法被压缩（引入 zigzag 编码）
    4 zigzag 编码
    使用位移和异或操作将首位的符号位挪到数据的最后一位。
    三 Demo假如需要分别序列化 1 / 200 / -1 这三个 int 数，则 VInt 算法的具体步骤为（有效数据标黄）：
    1 二进制化
  • 1 的二进制数为 00000000 00000000 00000000 00000001
  • 200 的二进制数为 00000000 00000000 00000000 11001000
  • -1 的二进制数为 11111111 11111111 11111111 11111110
    2 向前位移一位，后面补 0
  • 1 处理后的二进制数为 00000000 00000000 00000000 00000010
  • 200 处理后的二进制数为 00000000 00000000 00000001 10010000
  • -1 处理后的二进制数为 11111111 11111111 11111111 11111100
    3 异或操作
    异或操作的本质是不同为 0，相同是 1。
  • 对于正数，异或一个 11111111 11111111 11111111 11111111
    • 1 的处理表达式为 00000000 00000000 00000000 00000010 ^ 11111111 11111111 11111111 11111111 = 00000000 00000000 00000000 00000010；
    • 200 的处理表达式为 00000000 00000000 00000001 10010000 ^ 11111111 11111111 11111111 11111111 = 00000000 00000000 00000001 10010000
  • 对于负数，异或一个 00000000 00000000 00000000 00000000
    • 【Lucene 中的 VInt】-1 的处理表达式为 11111111 11111111 11111111 11111100 ^ 00000000 00000000 00000000 00000000 = 00000000 00000000 00000000 00000011
      4 八位为一个单位处理数字
      以八位为一个单位读取数据，当读取到八位之后，将第一位看作是标记位，如果还有其它数据的话，再读取八位。
  • 对于数字 1 来说
    • 序列化过程：
      • 先读取七位 0000010，之前都为 0，没有数据，则前面补 0，为 00000010
    • 读取过程：
      • 读取序列化数据 00000010，第一位是 0，代表只有一个 byte，后面没有其它数据，故数据为 00000010
      • 最后一位是 0，代表是正数，与 11111111 异或操作，得到 00000010
      • 将数据往后挪一位，前端补 0，最终为 00000001
  • 对于数字 200 来说
    • 序列化过程：
      • 先读取七位 0010000，之前不都为 0，则前面补 1，为 10010000
      • 再读取七位 0000011，之前都为 0，则前面补 0，为 00000011
      • 组合数据为 10010000 00000011
    • 读取过程：
      • 读取序列化数据 10010000，第一位是 1，代表不止一个 byte，后面还有其它数据，故数据为 0010000
      • 再读取 00000011，第一位是 0，代表没有其它数据来，数据为 0000011
      • 组合数据为 00000001 10010000
      • 最后一位是 0，代表是正数，与 11111111 11111111 异或操作，得到 00000001 10010000
      • 将数据往后挪一位，前端补 0，最终为 00000000 11001000
  • 对于数字 -1 来说
    • 序列化过程：
      • 先读取七位 0000011，之前都为 0，没有数据，则前面补 0，为 00000011
    • 读取过程：
      • 读取序列化数据 00000011，第一位是 0，代表只有一个 byte，后面没有其它数据，故数据为 00000011
      • 最后一位是 1，代表是负数，与 00000000 异或操作，得到 11111100
      • 将数据往后挪一位，前端补 1，最终为 11111110
        四 源码0 流程
        以下源码的调用流程：
  • lucene 确认一个 int 值
  • 调用 zigZagEncode(...) 将 int 编码成 zint
  • 调用 writeVInt(...) 方法将 zint 编码成 vint，并写入到磁盘或者其它内存容器中
  • 调用 readVInt() 方法从磁盘或者其它内存容器中读取一个 vint 值，并将其反编码成 zint
  • 调用 zigZagDecode(...) 方法将 zint 反编码成 int
    1 writeZInt
    writeZInt(...) 方法在 org.apache.lucene.store.DataOutput 中：
    // 这个方法用于写入一个 zigzag 编码之后的 int 值 public final void writeZInt(int i) throws IOException { // BitUtil.zigZagEncode(i) 用于 zigzag 编码 writeVInt(BitUtil.zigZagEncode(i)); }// 用于写入一个 VInt public final void writeVInt(int i) throws IOException { while ((i & ~0x7F) != 0) { // writeByte(...) 方法用于将 byte 持久化到文件中，暂时无需关注 writeByte((byte)((i & 0x7F) | 0x80)); i >>>= 7; } writeByte((byte)i); }

    2 zigZagEncode
    zigZagEncode(...) 方法在 org.apache.lucene.util.BitUtil 中：
    // i >> 31 对于正数或者 0 来说，会返回全 0 的屏障 // i >> 31 对于负数来说，会返回全 1 的屏障 public static int zigZagEncode(int i) { return (i >> 31) ^ (i << 1); }

    3 readZInt
    readZInt(...) 方法在 org.apache.lucene.store.DataOutput 中：
    public int readZInt() throws IOException { return BitUtil.zigZagDecode(readVInt()); }public int readVInt() throws IOException { // 此处从磁盘读取一个 byte byte b = readByte(); // b >= 0，代表最高位是 0，后续没有值了，以下雷同 if (b >= 0) return b; int i = b & 0x7F; // 继续读取一个 byte b = readByte(); i |= (b & 0x7F) << 7; if (b >= 0) return i; // 继续读取一个 byte b = readByte(); i |= (b & 0x7F) << 14; if (b >= 0) return i; // 继续读取一个 byte b = readByte(); i |= (b & 0x7F) << 21; if (b >= 0) return i; // 继续读取一个 byte，在 VInt 的编码下，最高五个 byte b = readByte(); i |= (b & 0x0F) << 28; if ((b & 0xF0) == 0) return i; throw new IOException("Invalid vInt detected (too many bits)"); }

    4 zigZagDecode
    zigZagDecode(...) 方法在 org.apache.lucene.util.BitUtil 中：
    // decode 的操作和 zigZagEncode(...) 是完全相反的 public static int zigZagDecode(int i) { return ((i >>> 1) ^ -(i & 1)); }

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