面试题:jdk那些类的底层实现使用过位运算,并且给你印象最深?

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咱们先从一道简单的面试题说起。

请填充代码,判断一个数是否为奇数。

public static boolean isOdd(int i) {

}

估计很多同学一看到这道题目,都会觉得太简单了,简直就是送分题,恰恰也是这么简单的一道题目,却能慢慢引导出来很多问题。

我相信很多同学的答案,可能是这样的。

public static boolean isOdd(int i) {
    if ( i % 2 == 1) {
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

咋一看,似乎没有毛病,但一推敲,似乎哪里出错?奇数是有正负之分的,那么这个写法似乎漏掉了负奇数。

那还不简单,直接这么写不就可以了吗。

public static boolean isOdd(int i) {
    if ( i % 2 == 1 || i % 2 == -1 ) {
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

这种写法,估计多半是长期写业务代码,形成的思维(这病得治)。如果我是面试官的话,可能会问他,if条件句里面的表达式既然已经是boolean类型了,为什么还要多此一举呢?一些同学可能会改成这样。

public static boolean isOdd(int i) {
    return i % 2 == 1 || i % 2 == -1;
}

到了这一步,我估计会问他,这个表达式还能优化吗?脑子灵活的同学,可能会给出这个答案。

public static boolean isOdd1(int i) {
    return (i % 2) != 0;
}

到这里,我可能会问他,还能有其它写法吗?如果他一时写不出来,我会提示他,计算机里面的所有数据都是以二进制的形式来存储的,那么奇数与偶数说到底也是二进制,你要不试着用位运算来实现。

有的同学,会给我这个答案。

public static boolean isOdd(int i) {
    return i >> 1 << 1 != i;
}

也有的同学,会给我这个答案。

public static boolean isOdd(int i) {
    return (i & 1) == 1;
}

如果是你,你会更倾向于那种答案呢?

好了,既然咱们聊到了位运算,那我再抛给你一个问题。

jdk提供的常用类里,那些类的底层实现使用过的位运算给你印象最深?

我相信很多同学都会以HashMap来举例说明,要问为什么,因为这个已经被各个面试官翻来覆去的问,所以,没有去读过HashMap的同学应该是少之又少。

这里以 1.7 的HashMap为例,有一个典型的例子,计算key对应的数组下标时,用位运算来代替求余操作。

/**
* Returns index for hash code h.
*/
static int indexFor(int h, int length) {
    // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
    return h & (length-1);
}

length must be a non-zero power of 2,注意到注释里面的英文没有?

当容量是2^n时,h & (length - 1) == h % length 这个表达式就成立了。

这么做有两个效果。

  1. 位运算效率非常高。在《编程珠玑》这本书里,曾说过模运算花费的时间大概是算术运算的10倍左右。
  2. 保证了元素在哈希表中均匀地散列。

jdk1.8里HashMap的tableSizeFor也用到了位运算。

static final int tableSizeFor(int cap) {
  int n = cap - 1;
  n |= n >>> 1;
  n |= n >>> 2;
  n |= n >>> 4;
  n |= n >>> 8;
  n |= n >>> 16;
  return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

HashMap的hash计算也用到了位运算。还有集合类的扩容也经常用到了位运算。

static final int hash(Object key) {
  int h;
  return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

同样在并发中,也有很多地方用到了位运算,而且很巧妙,比如下面这两个代表。

ThreadPoolExecutor中ctl变量的设计确实精美,用高3位表示线程池的运行状态,低29位表示线程池中线程数。

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;

// runState is stored in the high-order bits
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;

// Packing and unpacking ctl
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; }

同样的设计,还有读写锁ReentrantReadWriteLock内部的同步容器框架Sync中的读写状态state,分成高16位与低16位,其中高16位表示读锁个数,低16位表示写锁个数。

static final int SHARED_SHIFT   = 16;
static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

/** Returns the number of shared holds represented in count  */
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
/** Returns the number of exclusive holds represented in count  */
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

除此之外,还有我们常用的包装类Integer 、Long等,里面就有很多位操作。比如这些方法highestOneBit、lowestOneBit、numberOfLeadingZeros、bitCount、reverse等。依次类推还有很多跟数学相关的类都用到了。

最后,还得要提一个类BitSet,里面有很多位运算的操作,在一些海量数据处理的时候,可能用得着。

你深入去分析,就会发现,哇,这么多地方都用到了啊。

现在,有没有觉得jdk源码原来如此有趣!

写了这么多,我只想表达一个观点。有的程序员过于关注于代码的效率,导致编写出来的代码晦涩难懂,后来者难以维护;而有的程序员基本上不关注程序效率,虽然代码结构清晰漂亮,但效率极低。要想变得优秀,应该多读前人的代码,要做到两者兼顾,不能盲目调优,写这种位运算的代码的时候,切记,写注释!


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