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图文并茂的聊聊ReentrantReadWriteLock的位运算

大家好,我是阿星,欢迎来到Java并发编程系列第六篇ReentrantReadWriteLock基础,今天我们来聊一聊读写状态的设计。

我相信不少读者,在看JDK源码时,会看到位运算代码,可能有些人和阿星一样是转行的,缺乏计算机相关的基础知识,看的是一头雾水。

导致有些人直接被劝退,也有些人选择理解字面上的意思,细节跳过。

但是一颗疑惑的种子在我们心中埋了下来「为什么使用位运算就能达到这样的效果?」。

恰好ReentrantReadWriteLock读写状态的设计用到了位运算,我们以此来展开今天的话题。

一段位运算代码

我们来到ReentrantReadWriteLock.Sync内部类,发现了这段代码(后面以RRW简称

        
//偏移位数
static final int SHARED_SHIFT = 16;
//读锁计数基本单位
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
//读锁、写锁可重入最大数量
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
//获取低16位的条件
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

//获取读锁重入数
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
//获取写锁重入数
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

复制代码

上面的这些位运算代码是用来干嘛的?

因为RRW中的int整型变量state要同时维护读锁、写锁两种状态,所以RRW的是通过高低位切割来实现。

int4个字节,一个字节8位,总共32位,切割一下,高16位表示读,低16位表示写。

这样做的好处就是节约资源,就像现实中老板把你一个人当两个人用是一样的道理。

讲到这里,大家也明白了,上面的位运算代码就是完成高低位切割的。

读锁位运算

//偏移位数
static final int SHARED_SHIFT = 16;
//读锁计数基本单位
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
复制代码

读锁使用高16位,每次获取读锁成功+1,所以读锁计数基本单位是1的高16位,即1左移16位(1 << 16)。

1左移16位等于65536,每次获取读锁成功都+65536,这时有读者跳出来问,不是+1嘛,怎么变成+65536了,这不对啊。

别急别急,看看下面这段代码

//偏移位数
static final int SHARED_SHIFT = 16;
//获取读锁重入数
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
复制代码

上面sharedCount函数通过位运算是做无符号右移16位获取读锁的重入数,为什么可以获取到呢?

阿星原地向前走16步,再后退16步,又回到原点,1左移16位等于6553665536右移16位等于1

比如我们获取到了3次读锁,就是65536 * 3 = 196608,转换下公式就是3左移16位等于196608196608右移16位等于3

虽然我们每次获取到读锁都会+65536,但是获取读锁时会做右移16位,所以效果和+1是一样。

写锁位运算

//偏移位数
static final int SHARED_SHIFT = 16;
//获取低16位的条件
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
//获取写锁重入数
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

复制代码

剩下的写锁就非常简单,获取低16位不用左右移动,只要把高16位全部补0即可。

反推一下,因为不需要左右移动,其实就和正常的数字一样,只不过因为高16位补0,导致数值范围在0~65535,也就是说写锁获取成功直接+1就好了。

我们目光转到EXCLUSIVE_MASK变量,1右移16位后-1,得到6553565535的二进制就是111111111111111

现在来看exclusiveCount函数,该函数内做了位运算&&又称""运算。

""运算是两个二进制,每位数运算,运算规则如下

  • 0&0=0
  • 0&1=0
  • 1&0=0
  • 1&1=1

如果相对应位都是1,则结果为1,否则为0

可能有些读者大大还是不太明白,下面放张图16位二进制""运算图

我们发现""运算时,只要有一方为0,那结果一定是0,所以为了切割低16位,可以使用&来完成。

从上图可以看出,EXCLUSIVE_MASK16位都是0,低16位都是1,和它&的变量,高16位全部会变成0,低16位全部保留下来,最终达到获取低16位效果。

c & EXCLUSIVE_MASK,假设c1&的过程如下图

这样看可能没太大感觉,我们把数值调大点,假设c6553665537&的过程如下图

现在有感觉了吧,c的高16位都会变成0,低16位会原样保留,最终达到获取低16位效果。

EXCLUSIVE_MASK范围在0~65535,所以c的范围也不会超过0~65535,因为超过了也会通过& EXCLUSIVE_MASK回到0~65535

提个问题

阿星」:int如何实现序列化与反序列化?

萌新」:好家伙,我直接用Integer就好了,父类Number实现了序列化接口Serializable

阿星」:不使用Serializable,自己手写一个呢?

萌新」:啊,这。。。。

为了让大家更好的消化之前的内容,阿星手把手带大家实现int与字节的互转。

int4个字节,一个字节8位,总共32位。

int转byte数组

思路很简单,我们只需要从右往左按8位一个一个截取,再存储到byte数组里面,代码如下:

public static byte[] intToBytes(int n) {
        //长度4字节的数组
        byte[] buf = new byte[4];
        for (int i = 0; i < buf.length; i++) {
            //循环右移动8位,存储到数组中
            buf[i] = (byte) (n >> (8 * i));
        }
        return buf;
    }
复制代码

过程图如下

byte数组转int

我们从int转换成了byte[],现在要从byte[]转换成int,代码如下

public static int bytesToInt(byte[] buf) {
    return buf[0] & 0xff
            | ((buf[1] << 8) & 0xff00)
            | ((buf[2] << 16) & 0xff0000)
            | ((buf[3] << 24) & 0xff000000);
}
复制代码

代码中涉及到了"左移、与、或"位运算,左移我们前面都说了,还有一个一样,只是运算规则不同,的运算规则如下

  • 0&0=0
  • 0&1=1
  • 1&0=1
  • 1&1=1

如果相对应位都是 0,则结果为 0,否则为 1

0xff的二进制是111111110xff后面每追加20,效果等于左移8位,依次类推,所以我们最终是利用<<、|、&、0xff来还原。

过程图如下

小结

ReentrantReadWriteLock中读写状态公用一个状态,巧妙的利用高低位来节约资源,在整个实现过程中,使用了位运算来做高低位切割。

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