圖文并茂的聊聊ReentrantReadWriteLock的位運算
大家好，歡迎來到學(xué)習(xí)ReentrantReadWriteLock基礎(chǔ)，今天我們來聊一聊讀寫狀態(tài)的設(shè)計。
我相信不少讀者，在看JDK源碼時，會看到位運算代碼，可能有些人和阿星一樣是轉(zhuǎn)行的，缺乏計算機相關(guān)的基礎(chǔ)知識，看的是一頭霧水。
導(dǎo)致有些人直接被勸退，也有些人選擇理解字面上的意思，細節(jié)跳過。
但是一顆疑惑的種子在我們心中埋了下來「為什么使用位運算就能達到這樣的效果？」。
恰好ReentrantReadWriteLock讀寫狀態(tài)的設(shè)計用到了位運算，我們以此來展開今天的話題。
一段位運算代碼
我們來到ReentrantReadWriteLock.Sync內(nèi)部類，發(fā)現(xiàn)了這段代碼（后面以RRW簡稱）
????????
//偏移位數(shù)
static?final?int?SHARED_SHIFT?=?16;
//讀鎖計數(shù)基本單位
static?final?int?SHARED_UNIT?=?(1?<//讀鎖、寫鎖可重入最大數(shù)量
static?final?int?MAX_COUNT?=?(1?<1;
//獲取低16位的條件
static?final?int?EXCLUSIVE_MASK?=?(1?<1;
//獲取讀鎖重入數(shù)
static?int?sharedCount(int?c)????{?return?c?>>>?SHARED_SHIFT;?}
//獲取寫鎖重入數(shù)
static?int?exclusiveCount(int?c)?{?return?c?&?EXCLUSIVE_MASK;?}
上面的這些位運算代碼是用來干嘛的？
因為RRW的中的int整型變量state要同時維護讀鎖、寫鎖兩種狀態(tài)，所以RRW的是通過高低位切割來實現(xiàn)。
int占4個字節(jié)，一個字節(jié)8位，總共32位，切割一下，高16位表示讀，低16位表示寫。
這樣做的好處就是節(jié)約資源，就像現(xiàn)實中老板把你一個人當(dāng)兩個人用是一樣的道理。
講到這里，大家也明白了，上面的位運算代碼就是完成高低位切割的。
讀鎖位運算
//偏移位數(shù)
static?final?int?SHARED_SHIFT?=?16;
//讀鎖計數(shù)基本單位
static?final?int?SHARED_UNIT?=?(1?<讀鎖使用高16位，每次獲取讀鎖成功+1，所以讀鎖計數(shù)基本單位是1的高16位，即1左移16位（1 << 16）。
1左移16位等于65536，每次獲取讀鎖成功都+65536，這時有讀者跳出來問，不是+1嘛，怎么變成+65536了，這不對啊。
別急別急，看看下面這段代碼
//偏移位數(shù)
static?final?int?SHARED_SHIFT?=?16;
//獲取讀鎖重入數(shù)
static?int?sharedCount(int?c)????{?return?c?>>>?SHARED_SHIFT;?}
上面sharedCount函數(shù)通過位運算是做無符號右移16位獲取讀鎖的重入數(shù)，為什么可以獲取到呢？
阿星原地向前走16步，再后退16步，又回到原點，1左移16位等于65536，65536右移16位等于1。
比如我們獲取到了3次讀鎖，就是65536 * 3 = 196608，轉(zhuǎn)換下公式就是3左移16位等于196608，196608右移16位等于3。
雖然我們每次獲取到讀鎖都會+65536，但是獲取讀鎖時會做右移16位，所以效果和+1是一樣。
寫鎖位運算
//偏移位數(shù)
static?final?int?SHARED_SHIFT?=?16;
//獲取低16位的條件
static?final?int?EXCLUSIVE_MASK?=?(1?<1;
//獲取寫鎖重入數(shù)
static?int?exclusiveCount(int?c)?{?return?c?&?EXCLUSIVE_MASK;?}
剩下的寫鎖就非常簡單，獲取低16位不用左右移動，只要把高16位全部補0即可。
反推一下，因為不需要左右移動，其實就和正常的數(shù)字一樣，只不過因為高16位補0，導(dǎo)致數(shù)值范圍在0~65535，也就是說寫鎖獲取成功直接+1就好了。
我們目光轉(zhuǎn)到EXCLUSIVE_MASK變量，1右移16位后-1，得到65535，65535的二進制就是111111111111111。
現(xiàn)在來看exclusiveCount函數(shù)，該函數(shù)內(nèi)做了位運算&，&又稱"與"運算。
"與"運算是兩個二進制，每位數(shù)運算，運算規(guī)則如下
0&0=00&1=01&0=01&1=1
如果相對應(yīng)位都是1，則結(jié)果為1，否則為0
可能有些讀者大大還是不太明白，下面放張圖16位二進制"與"運算圖
我們發(fā)現(xiàn)"與"運算時，只要有一方為0，那結(jié)果一定是0，所以為了切割低16位，可以使用&來完成。
從上圖可以看出，EXCLUSIVE_MASK高16位都是0，低16位都是1，和它&的變量，高16位全部會變成0，低16位全部保留下來，最終達到獲取低16位效果。
c & EXCLUSIVE_MASK，假設(shè)c是1，&的過程如下圖
這樣看可能沒太大感覺，我們把數(shù)值調(diào)大點，假設(shè)c是65536和65537，&的過程如下圖
現(xiàn)在有感覺了吧，c的高16位都會變成0，低16位會原樣保留，最終達到獲取低16位效果。
EXCLUSIVE_MASK范圍在0~65535，所以c的范圍也不會超過0~65535，因為超過了也會通過& EXCLUSIVE_MASK回到0~65535。
提個問題
「阿星」：int如何實現(xiàn)序列化與反序列化？
「萌新」：好家伙，我直接用Integer就好了，父類Number實現(xiàn)了序列化接口Serializable。
「阿星」：不使用Serializable，自己手寫一個呢？
「萌新」：啊，這。。。。
為了讓大家更好的消化之前的內(nèi)容，阿星手把手帶大家實現(xiàn)int與字節(jié)的互轉(zhuǎn)。
int占4個字節(jié)，一個字節(jié)8位，總共32位。
int轉(zhuǎn)byte數(shù)組
思路很簡單，我們只需要從右往左按8位一個一個截取，再存儲到byte數(shù)組里面，代碼如下：
public?static?byte[]?intToBytes(int?n)?{
????????//長度4字節(jié)的數(shù)組
????????byte[]?buf?=?new?byte[4];
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????//循環(huán)右移動8位，存儲到數(shù)組中
????????????buf[i]?=?(byte)?(n?>>?(8?*?i));
????????}
????????return?buf;
????}
過程圖如下
byte數(shù)組轉(zhuǎn)int
我們從int轉(zhuǎn)換成了byte[]，現(xiàn)在要從byte[]轉(zhuǎn)換成int，代碼如下
public?static?int?bytesToInt(byte[]?buf)?{
????return?buf[0]?&?0xff
????????????|?((buf[1]?<8)?&?0xff00)
????????????|?((buf[2]?<16)?&?0xff0000)
????????????|?((buf[3]?<24)?&?0xff000000);
}
代碼中涉及到了"左移、與、或"位運算，左移和與我們前面都說了，還有一個或，或和與一樣，只是運算規(guī)則不同，或的運算規(guī)則如下
0&0=00&1=11&0=11&1=1
如果相對應(yīng)位都是 0，則結(jié)果為 0，否則為 1
0xff的二進制是11111111，0xff后面每追加2個0，效果等于左移8位，依次類推，所以我們最終是利用<<、|、&、0xff來還原。
過程圖如下
小結(jié)
在ReentrantReadWriteLock中讀寫狀態(tài)公用一個狀態(tài)，巧妙的利用高低位來節(jié)約資源，在整個實現(xiàn)過程中，使用了位運算來做高低位切割。