ReentrantReadWriteLock的位运算解析

Posted 2021-05-26 程序猿阿星

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了ReentrantReadWriteLock的位运算解析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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; }

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。

int占4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);

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; }

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65536，65536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196608，196608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; }

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65535，65535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"与"运算。

"与"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"与"运算图

我们发现"与"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_MASK高16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c是1，&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c是65536和65537，&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。

int占4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;
    }

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);
}