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0 文章概述

我們閱讀ThreadPoolExecutor源碼時在開篇就會發(fā)現(xiàn)很多位運(yùn)算代碼：

public?class?ThreadPoolExecutor?extends?AbstractExecutorService?{
????private?final?AtomicInteger?ctl?=?new?AtomicInteger(ctlOf(RUNNING,?0));
????private?static?final?int?COUNT_BITS?=?Integer.SIZE?-?3;
????private?static?final?int?CAPACITY???=?(1?<<?COUNT_BITS)?-?1;

????private?static?final?int?RUNNING????=?-1?<<?COUNT_BITS;
????private?static?final?int?SHUTDOWN???=??0?<<?COUNT_BITS;
????private?static?final?int?STOP???????=??1?<<?COUNT_BITS;
????private?static?final?int?TIDYING????=??2?<<?COUNT_BITS;
????private?static?final?int?TERMINATED?=??3?<<?COUNT_BITS;

????private?static?int?runStateOf(int?c)?????{?return?c?&?~CAPACITY;?}
????private?static?int?workerCountOf(int?c)??{?return?c?&?CAPACITY;?}
????private?static?int?ctlOf(int?rs,?int?wc)?{?return?rs?|?wc;?}
}

不難發(fā)現(xiàn)線程狀態(tài)都用位運(yùn)算表示，但是為什么要這樣做呢？為什么不定義為直觀的數(shù)字呢？下面我們進(jìn)行分析。雖然代碼量不多，但是想要理解線程池就必須要理解為什么使用位運(yùn)算。

ThreadPoolExecutor在設(shè)計(jì)時就是用一個int數(shù)值表示了兩個業(yè)務(wù)含義：線程池狀態(tài)和線程數(shù)量。其中高3位表示線程池狀態(tài)，低29位表示線程數(shù)量，這個設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)在以下三句代碼：

//?代碼1
private?final?AtomicInteger?ctl?=?new?AtomicInteger(ctlOf(RUNNING,?0));
//?代碼2
private?static?final?int?COUNT_BITS?=?Integer.SIZE?-?3;
//?代碼3
private?static?final?int?CAPACITY???=?(1?<<?COUNT_BITS)?-?1;

代碼1表示用一個int保存線程池信息，代碼2表示一共有(32-3)=29位可以表示線程數(shù)量，代碼3表示理論上最大線程數(shù)量為536870911，這個理論值足以支撐線程池使用。

1 線程池狀態(tài)

我們明白了線程池上述設(shè)計(jì)思想，下面就來分析線程池狀態(tài)值：

private?static?final?int?RUNNING????=?-1?<<?COUNT_BITS;
private?static?final?int?SHUTDOWN???=??0?<<?COUNT_BITS;
private?static?final?int?STOP???????=??1?<<?COUNT_BITS;
private?static?final?int?TIDYING????=??2?<<?COUNT_BITS;
private?static?final?int?TERMINATED?=??3?<<?COUNT_BITS;

我們知道COUNT_BITS=29則上述代碼等價(jià)于：

private?static?final?int?RUNNING????=?-1?<<?29;
private?static?final?int?SHUTDOWN???=??0?<<?29;
private?static?final?int?STOP???????=??1?<<?29;
private?static?final?int?TIDYING????=??2?<<?29;
private?static?final?int?TERMINATED?=??3?<<?29;

現(xiàn)在我們算一算這些狀態(tài)等于多少，在這里我們從后往前算，因?yàn)镽UNNING狀態(tài)是負(fù)數(shù)左移運(yùn)算，計(jì)算步驟稍微多一些。

(1) TERMINATED = 3 << 29

初始值：00000000?00000000?00000000?00000011
左移后：01100000?00000000?00000000?00000000

(2) TIDYING = 2 << 29

初始值：00000000?00000000?00000000?00000010
左移后：01000000?00000000?00000000?00000000

(3) STOP = 1 << 29

初始值：00000000?00000000?00000000?00000001
左移后：00100000?00000000?00000000?00000000

(4) SHUTDOWN = 0 << 29

初始值：00000000?00000000?00000000?00000000
左移后：00000000?00000000?00000000?00000000

(5) RUNNING = -1 << 29

原碼：10000000?00000000?00000000?00000001
反碼：11111111?11111111?11111111?11111110（原碼符號位不變、數(shù)值位取反）
補(bǔ)碼：11111111?11111111?11111111?11111111（反碼+1）
左移：11100000?00000000?00000000?00000000

2 位運(yùn)算應(yīng)用

runStateOf方法用來獲取線程池狀態(tài)信息，workerCountOf方法用來獲取線程池線程數(shù)，ctlOf方法用來設(shè)置當(dāng)前線程池狀態(tài)和線程數(shù)量信息，我們分別進(jìn)行計(jì)算。

private?static?int?runStateOf(int?c)?????{?return?c?&?~CAPACITY;?}
private?static?int?workerCountOf(int?c)??{?return?c?&?CAPACITY;?}
private?static?int?ctlOf(int?rs,?int?wc)?{?return?rs?|?wc;?}

(1) CAPACITY ? = (1 << 29) - 1

先左移：00100000?00000000?00000000?00000000
再減一：00011111?11111111?11111111?11111111

(2) ~CAPACITY

原始值：00011111?11111111?11111111?11111111
取反后：11100000?00000000?00000000?00000000

(3) runStateOf

現(xiàn)在一個線程池狀態(tài)是RUNNING并且線程數(shù)量等于3用二進(jìn)制表示如下：

11100000?00000000?00000000?00000011

執(zhí)行runStateOf方法就可以得到線程池狀態(tài)：

11100000?00000000?00000000?00000011
&
11100000?00000000?00000000?00000000
=
11100000?00000000?00000000?00000000

(4) workerCountOf

現(xiàn)在一個線程池狀態(tài)是RUNNING并且線程數(shù)量等于4用二進(jìn)制表示如下：

11100000?00000000?00000000?00000100

執(zhí)行workerCountOf方法就可以得到線程數(shù)量：

11100000?00000000?00000000?00000100
&
00011111?11111111?11111111?11111111
=
00000000?00000000?00000000?00000100

(5) ctlOf

現(xiàn)在我們要設(shè)置一個狀態(tài)是RUNNING且線程數(shù)量等于4的線程池ctl值：

private?final?AtomicInteger?ctl?=?new?AtomicInteger(ctlOf(RUNNING,?4));

11100000?00000000?00000000?00000000
|
00000000?00000000?00000000?00000100
=
11100000?00000000?00000000?00000100

這個方法真正體現(xiàn)了高3位表示線程池狀態(tài)，低29位表示線程數(shù)量這個設(shè)計(jì)思想優(yōu)點(diǎn)，原本需要兩步設(shè)置動作現(xiàn)在只需要一步，從而實(shí)現(xiàn)了操作原子性，這樣就可以滿足線程池的很多CAS操作，例如線程池在調(diào)用addWorker新增工作線程數(shù)時會調(diào)用compareAndIncrementWorkerCount方法增加線程數(shù)量。

但是假設(shè)同一時刻shutdownNow方法導(dǎo)致線程池狀態(tài)發(fā)生改變，那么新增工作線程數(shù)方法就不會調(diào)用成功，需要繼續(xù)執(zhí)行自旋進(jìn)行嘗試，這體現(xiàn)了線程狀態(tài)和線程數(shù)量維護(hù)的原子性。

3 位圖法應(yīng)用

3.1 需求背景

我們看看位運(yùn)算怎樣應(yīng)用在實(shí)際開發(fā)場景。假設(shè)在系統(tǒng)中用戶一共有三種角色：普通用戶、管理員、超級管理員，現(xiàn)在需要設(shè)計(jì)一張用戶角色表記錄這類信息。我們不難設(shè)計(jì)出如下方案：

id	name	super	admin	normal
101	用戶一	1	0	0
102	用戶二	0	1	0
103	用戶三	0	0	1
104	用戶四	1	1	1

我們使用1表示是，0表示否，那么觀察上表不難得出，用戶一有用超級管理員角色，用戶二具有管理員角色，用戶三具有普通用戶角色，用戶四同時具有三種角色。如果此時新增加一種角色呢？那么新增一個字段即可。

3.2 發(fā)現(xiàn)問題

按照上述一個字段表示一種角色進(jìn)行表設(shè)計(jì)功能上是沒有問題的，優(yōu)點(diǎn)是容易理解結(jié)構(gòu)清晰，但是我們想一想有沒有什么問題？筆者遇到過如下問題：在復(fù)雜業(yè)務(wù)環(huán)境一份數(shù)據(jù)可能會使用在不同的場景，例如上述數(shù)據(jù)存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫，這一份數(shù)據(jù)還會被用在如下場景：

檢索數(shù)據(jù)需要同步一份到ES
業(yè)務(wù)方使用此表通過Flink計(jì)算業(yè)務(wù)指標(biāo)
業(yè)務(wù)方訂閱此表Binlog消息進(jìn)行業(yè)務(wù)處理

如果表結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)源之間就要重新進(jìn)行對接，業(yè)務(wù)方也要進(jìn)行代碼修改，這樣開發(fā)成本比較非常高。有沒有辦法避免此類問題？

3.3 解決方案

我們可以使用位圖法，這樣同一個字段可以表示多個業(yè)務(wù)含義。首先設(shè)計(jì)如下數(shù)據(jù)表，userFlag字段暫時不填。

id	name	user_flag
101	用戶一	暫時不填
102	用戶二	暫時不填
103	用戶三	暫時不填
104	用戶四	暫時不填

我們設(shè)計(jì)位圖每一個bit表示一種角色：

我們使用位圖法表示如下數(shù)據(jù)表：

id	name	super	admin	normal
101	用戶一	1	0	0
102	用戶二	0	1	0
103	用戶三	0	0	1
104	用戶四	1	1	1

用戶一位圖如下十進(jìn)制數(shù)值等于4：

用戶二位圖如下十進(jìn)制數(shù)值等于2：

用戶三位圖如下十進(jìn)制數(shù)值等于1：

用戶四位圖如下十進(jìn)制數(shù)值等于7：

現(xiàn)在我們可以填寫數(shù)據(jù)表第三列：

id	name	user_flag
101	用戶一	4
102	用戶二	2
103	用戶三	1
104	用戶四	7

3.4 代碼實(shí)例

(1) 枚舉定義

定義枚舉時不要直接定義為1、2、4這類數(shù)字，而是采用位移方式進(jìn)行定義，這樣使用者可以明白設(shè)計(jì)者的意圖。

/**
?*?用戶角色枚舉
?*
?*?@author?微信公眾號「JAVA前線」
?*
?*/
public?enum?UserRoleEnum?{

????//?1?->?00000001
????NORMAL(1,?"普通用戶"),

????//?2?->?00000010
????MANAGER(1?<<?1,?"管理員"),

????//?4?->?00000100
????SUPER(1?<<?2,?"超級管理員")

????;

????private?int?code;
????private?String?description;

????private?UserRoleEnum(Integer?code,?String?description)?{
????????this.code?=?code;
????????this.description?=?description;
????}

????public?String?getDescription()?{
????????return?description;
????}

????public?int?getCode()?{
????????return?this.code;
????}
}

假設(shè)用戶已經(jīng)具有普通用戶角色，我們需要為其增加管理員角色，這就是新增角色，與之對應(yīng)還有刪除角色和查詢角色，這些操作需要用到為位運(yùn)算，詳見代碼注釋。

/**
?*?用戶角色枚舉
?*
?*?@author?微信公眾號「JAVA前線」
?*
?*/
public?enum?UserRoleEnum?{

????//?1?->?00000001
????NORMAL(1,?"普通用戶"),

????//?2?->?00000010
????MANAGER(1?<<?1,?"管理員"),

????//?4?->?00000100
????SUPER(1?<<?2,?"超級管理員")

????;

????//?新增角色?->?位或操作
????//?oldRole?->?00000001?->?普通用戶
????//?addRole?->?00000010?->?新增管理員
????//?newRole?->?00000011?->?普通用戶和管理員
????public?static?Integer?addRole(Integer?oldRole,?Integer?addRole)?{
????????return?oldRole?|?addRole;
????}

????//?刪除角色?->?位異或操作
????//?oldRole?->?00000011?->?普通用戶和管理員
????//?delRole?->?00000010?->?刪除管理員
????//?newRole?->?00000001?->?普通用戶
????public?static?Integer?removeRole(Integer?oldRole,?Integer?delRole)?{
????????return?oldRole?^?delRole;
????}

????//?是否有某種角色?->?位與操作
????//?allRole?->?00000011?->?普通用戶和管理員
????//?qryRole?->?00000001?->?是否有管理員角色
????//?resRole?->?00000001?->?有普通用戶角色
????public?static?boolean?hasRole(Integer?allRole,?Integer?qryRole)?{
????????return?qryRole?==?(role?&?qryRole);
????}

????private?int?code;
????private?String?description;

????private?UserRoleEnum(Integer?code,?String?description)?{
????????this.code?=?code;
????????this.description?=?description;
????}

????public?String?getDescription()?{
????????return?description;
????}

????public?int?getCode()?{
????????return?this.code;
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????System.out.println(addRole(1,?2));
????????System.out.println(removeRole(3,?1));
????????System.out.println(hasRole(3,?1));
????}
}

(2) 數(shù)據(jù)查詢

假設(shè)在運(yùn)營后臺查詢界面中，需要查詢具有普通用戶角色的用戶數(shù)據(jù)，可以使用如下SQL語句：

select?*?from?user_role?where?(user_flag?&?1)?=?user_flag;
select?*?from?user_role?where?(user_flag?&?b'0001')?=?user_flag;

我們也可以使用如下MyBatis語句：

<select?id="selectByUserRole"?resultMap="BaseResultMap"?parameterType="java.util.Map">
??select?*?from?user_role?
??where?user_flag?&?#{userFlag}?=?#{userFlag}
</select>

<select?id="selectByUserIdAndRole"?resultMap="BaseResultMap"?parameterType="java.util.Map">
??select?*?from?user_role?
??where?id?=?#{userId}?and?user_flag?&?#{userFlag}?=?#{userFlag}
</select>

4 文章總結(jié)

本文首先分析了位運(yùn)算在Java線程池源碼的應(yīng)用，然后我們又介紹了位圖法，這樣一個字段就可以表示多個含義，從而減少了字段冗余，節(jié)省了對接和開發(fā)的成本。當(dāng)然位圖法也有缺點(diǎn)，例如數(shù)據(jù)庫字段含義不直觀需要進(jìn)行轉(zhuǎn)義，增加了代碼理解成本，大家可以根據(jù)需求場景選擇使用，希望本文對大家有所幫助。

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為什么要使用位運(yùn)算表示線程池狀態(tài)?