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0 文章概述
咱们阅读ThreadPoolExecutor源码时在开篇就会发现不少位运算代码：数据库
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; } }
不难发现线程状态都用位运算表示，可是为何要这样作呢？为何不定义为直观的数字呢？下面咱们进行分析。虽然代码量很少，可是想要理解线程池就必需要理解为何使用位运算。微信
ThreadPoolExecutor在设计时就是用一个int数值表示了两个业务含义：线程池状态和线程数量。其中高3位表示线程池状态，低29位表示线程数量，这个设计思想体如今如下三句代码：架构
// 代码1 private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); // 代码2 private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // 代码3 private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
代码1表示用一个int保存线程池信息，代码2表示一共有(32-3)=29位能够表示线程数量，代码3表示理论上最大线程数量为536870911，这个理论值足以支撑线程池使用。源码分析
1 线程池状态
咱们明白了线程池上述设计思想，下面就来分析线程池状态值：学习
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;
咱们知道COUNT_BITS=29则上述代码等价于：this
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;
如今咱们算一算这些状态等于多少，在这里咱们从后往前算，由于RUNNING状态是负数左移运算，计算步骤稍微多一些。spa
(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
原码：10000000 00000000 00000000 00000001 反码：11111111 11111111 11111111 11111110（原码符号位不变、数值位取反） 补码：11111111 11111111 11111111 11111111（反码+1） 左移：11100000 00000000 00000000 00000000
2 位运算应用
runStateOf方法用来获取线程池状态信息，workerCountOf方法用来获取线程池线程数，ctlOf方法用来设置当前线程池状态和线程数量信息，咱们分别进行计算。线程
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 再减一：00011111 11111111 11111111 11111111
(2) ~CAPACITY
原始值：00011111 11111111 11111111 11111111 取反后：11100000 00000000 00000000 00000000
(3) runStateOf
如今一个线程池状态是RUNNING而且线程数量等于3用二进制表示以下：设计
11100000 00000000 00000000 00000011
执行runStateOf方法就能够获得线程池状态：
11100000 00000000 00000000 00000011 & 11100000 00000000 00000000 00000000 = 11100000 00000000 00000000 00000000
(4) workerCountOf
如今一个线程池状态是RUNNING而且线程数量等于4用二进制表示以下：
11100000 00000000 00000000 00000100
执行workerCountOf方法就能够获得线程数量：
11100000 00000000 00000000 00000100 & 00011111 11111111 11111111 11111111 = 00000000 00000000 00000000 00000100
(5) ctlOf
如今咱们要设置一个状态是RUNNING且线程数量等于4的线程池ctl值：
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 4)); 11100000 00000000 00000000 00000000 | 00000000 00000000 00000000 00000100 = 11100000 00000000 00000000 00000100
这个方法真正体现了高3位表示线程池状态，低29位表示线程数量这个设计思想优势，本来须要两步设置动做如今只须要一步，从而实现了操做原子性，这样就能够知足线程池的不少CAS操做，例如线程池在调用addWorker新增工做线程数时会调用compareAndIncrementWorkerCount方法增长线程数量。
可是假设同一时刻shutdownNow方法致使线程池状态发生改变，那么新增工做线程数方法就不会调用成功，须要继续执行自旋进行尝试，这体现了线程状态和线程数量维护的原子性。
3 位图法应用
3.1 需求背景
咱们看看位运算怎样应用在实际开发场景。假设在系统中用户一共有三种角色：普通用户、管理员、超级管理员，如今须要设计一张用户角色表记录这类信息。咱们不难设计出以下方案：
咱们使用1表示是，0表示否，那么观察上表不可贵出，用户一有用超级管理员角色，用户二具备管理员角色，用户三具备普通用户角色，用户四同时具备三种角色。若是此时新增长一种角色呢？那么新增一个字段便可。
3.2 发现问题
按照上述一个字段表示一种角色进行表设计功能上是没有问题的，优势是容易理解结构清晰，可是咱们想想有没有什么问题？笔者遇到过以下问题：在复杂业务环境一份数据可能会使用在不一样的场景，例如上述数据存储在MySQL数据库，这一份数据还会被用在以下场景：
检索数据须要同步一份到ES
业务方使用此表经过Flink计算业务指标
业务方订阅此表Binlog消息进行业务处理
若是表结构发生变化，数据源之间就要从新进行对接，业务方也要进行代码修改，这样开发成本比较很是高。有没有办法避免此类问题？
3.3 解决方案
咱们可使用位图法，这样同一个字段能够表示多个业务含义。首先设计以下数据表，userFlag字段暂时不填。
咱们设计位图每个bit表示一种角色：
咱们使用位图法表示以下数据表：
用户一位图以下十进制数值等于4：
用户二位图以下十进制数值等于2：
用户三位图以下十进制数值等于1：
用户四位图以下十进制数值等于7：
如今咱们能够填写数据表第三列：
3.4 代码实例
(1) 枚举定义
定义枚举时不要直接定义为一、二、4这类数字，而是采用位移方式进行定义，这样使用者能够明白设计者的意图。
/** * 用户角色枚举 * * @author 微信公众号「JAVA前线」 * */ public enum UserRoleEnum { // 1 -> 00000001 NORMAL(1, "普通用户"), // 2 -> 00000010 MANAGER(1 << 1, "管理员"), // 4 -> 00000100 SUPER(1 << 2, "超级管理员") ; 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; } }
假设用户已经具备普通用户角色，咱们须要为其增长管理员角色，这就是新增角色，与之对应还有删除角色和查询角色，这些操做须要用到为位运算，详见代码注释。
/** * 用户角色枚举 * * @author 微信公众号「JAVA前线」 * */ public enum UserRoleEnum { // 1 -> 00000001 NORMAL(1, "普通用户"), // 2 -> 00000010 MANAGER(1 << 1, "管理员"), // 4 -> 00000100 SUPER(1 << 2, "超级管理员") ; // 新增角色 -> 位或操做 // oldRole -> 00000001 -> 普通用户 // addRole -> 00000010 -> 新增管理员 // newRole -> 00000011 -> 普通用户和管理员 public static Integer addRole(Integer oldRole, Integer addRole) { return oldRole | addRole; } // 删除角色 -> 位异或操做 // oldRole -> 00000011 -> 普通用户和管理员 // delRole -> 00000010 -> 删除管理员 // newRole -> 00000001 -> 普通用户 public static Integer removeRole(Integer oldRole, Integer delRole) { return oldRole ^ delRole; } // 是否有某种角色 -> 位与操做 // allRole -> 00000011 -> 普通用户和管理员 // qryRole -> 00000001 -> 是否有管理员角色 // resRole -> 00000001 -> 有普通用户角色 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) 数据查询
假设在运营后台查询界面中，须要查询具备普通用户角色的用户数据，可使用以下SQL语句：
select * from user_role where (user_flag & 1) = user_flag; select * from user_role where (user_flag & b'0001') = user_flag;
咱们也可使用以下MyBatis语句：
<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 文章总结
本文首先分析了位运算在Java线程池源码的应用，而后咱们又介绍了位图法，这样一个字段就能够表示多个含义，从而减小了字段冗余，节省了对接和开发的成本。固然位图法也有缺点，例如数据库字段含义不直观须要进行转义，增长了代码理解成本，你们能够根据需求场景选择使用，但愿本文对你们有所帮助。
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