如何优雅地运用位运算实现产品需求？

发表于 2020-07-09 | 功能设计 | 架构

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在开始正文之前，我们先来说一下 Linux 的系统权限设计。在 Linux 系统中，为了保证文件的安全，对文件所有者、同组用户、其他用户的访问权限进行了分别管理。其中，文件所有者，即建立文件或目录的用户。同组用户，是所属组群中的所有用户。其他用户，指的是既不是文件所有者，也不是同组用户的其他用户。每个文件和目录都具有读取权限、写入权限和执行权限，这三个权限之间相互独立。

在 Linux 系统中，每个文件的访问权限可以用 9 个字母表示，每 3 个字母表示一类用户权限，分别代表文件创建者、同组用户、其他用户。其中，r 表示读取权限，w 表示写入权限，x 表示执行权限。通过功能模式修改文件权限，有三个部分组成，包括对象、操作和权限。

假设需要增加同组用户写入权限，下面来看一个例子。

1. chmod g+w /root/install.log

此外，每一类用户的访问也可以通过数字的方式进行表示。

那么，通过数字模式就可以对常见的 Linux 文件权限操作进行归纳。

假设需要设置创建者可读可写可执行、同组用户可读、其他用户可读，我们可以这样写：

1. chmod 755 /root/install.log

事实上，Linux 的文件访问权限就是非常经典的位运算使用场景。无独有偶，我们再来看下 Java 中的 java.lang.reflect.Modifier 。其中， Modifier 类采用 16 进制定义了静态常量。

1. public static final int PUBLIC = 0x00000001;
2. public static final int PRIVATE = 0x00000002;
3. public static final int PROTECTED = 0x00000004;
4. public static final int STATIC = 0x00000008;
5. public static final int FINAL = 0x00000010;
6. public static final int SYNCHRONIZED = 0x00000020;
7. public static final int VOLATILE = 0x00000040;
8. public static final int TRANSIENT = 0x00000080;
9. public static final int NATIVE = 0x00000100;
10. public static final int INTERFACE = 0x00000200;
11. public static final int ABSTRACT = 0x00000400;
12. public static final int STRICT = 0x00000800;

紧接着，Modifier 类提供了很多静态方法，例如 isPublic() 方法的返回值 & PUBLIC 对应的 16 进制值，如果非 0，则说明含有 public 修饰符。

1. public static boolean isPublic(int mod) {
2. return (mod & PUBLIC) != 0;

这里有一个重要的知识点，采用 & 运算，两位同时为 1，结果才为 1，否则为 0。即 0&0=0; 0&1=0; 1&0=0; 1&1=1。例如：3&1 即 0000 0011 & 0000 0001 = 00000001，值为 1。

1. 0000 0011
2. & 0000 0001
3. = 0000 0001

与此同时，Modifier 类还采用 | 运算，确保参加运算的两个对象只要有一个为 1，其值为 1。即 0|0=0； 0|1=1； 1|0=1；1|1=1。例如 Modifier.PUBLIC | Modifier.PROTECTED | Modifier.PRIVATE | Modifier.ABSTRACT | Modifier.STATIC | Modifier.FINAL | Modifier.STRICT 的结果是 3103，即 110000011111。

1. private static final int CLASS_MODIFIERS =
2. Modifier.PUBLIC | Modifier.PROTECTED | Modifier.PRIVATE |
3. Modifier.ABSTRACT | Modifier.STATIC | Modifier.FINAL |
4. Modifier.STRICT;
5. 0000 0000 0000 0001
6. ｜ 0000 0000 0000 0010
7. ｜ 0000 0000 0000 0100
8. ｜ 0000 0000 0000 1000
9. ｜ 0000 0000 0001 0000
10. ｜ 0000 0100 0000 0000
11. ｜ 0000 1000 0000 0000
12. = 0000 1100 0001 1111

书归正传，我们站在前辈们的肩上，通过位运算设计优雅的多选标识，例如通过位运算实现权限控制或多状态管理，它的好处在于易扩展，避免数据库设计过程中字段膨胀，减少磁盘存储空间。

假设，我们现在有一个有一个业务需求：在任务中添加一个通知方式，可选项包括 IM 消息、系统提醒、邮箱、短信。选择 IM 消息后，支持 IM 即时发送；选择系统提醒后，支持站内信推送；选择选择邮箱后，该任务后续相关提醒内容，可通过发送邮件至相关人邮箱中进行通知；选择短信后，该任务后续相关提醒内容，可通过发送短信至相关人进行通知。

我们在设计数据库库表时，通常情况下，将多个标识字段合并成一个字段，并把这个字段改成字符串型方式保存，例如，存在 1 时表示支持 IM，2 时表示支持系统消息，3 表示支持邮箱，4 表示支持短信。此时，如果同时都满足，它的存储形式就是以逗号分隔的字符串：“1,2,3,4”。这样设计的好处在于，不仅消除相同字段的冗余，而且当增加新的渠道类别时，不需增加新的字段。

1. IM(1, "IM消息"),
2. SYSTEM(2, "系统提醒"),
3. MAIL(3, "邮箱"),
4. SMS(4, "短信");

但在数据查询时，我们需要对字符串进行分隔。并且字符串类型的字段在查询效率和存储空间上不如整型字段。因此，我们可以用“位”来解决这个问题。我们采取不同的位来分别表示不同类别的标识字段。

因此，当某个任务支持 IM 时，则保存 1（0000 0001）；支持系统消息时，则保存 2（0000 0010），支持邮箱时，则保存 4（0000 0100）；支持短信时，则保存 8（0000 1000）。四种都支持，则保存 15 （0000 11111）。

位	值	说明
00000001	1	支持IM
00000010	2	支持系统消息
00000011	3	支持IM、系统消息
00000100	4	支持邮箱
00000101	5	支持邮箱、IM
00000110	6	支持邮箱、系统消息
00000111	7	支持邮箱、IM、系统消息
00001000	8	支持短信
…
00001111	15	支持邮箱、IM、系统消息、短信

紧接着，我们通过封装常用方法来实现增删改。

1. * @param mod 用户当前值
2. * @param value 需要判断值
3. * @return 是否存在
4. public static boolean hasMark(long mod, long value) {
5. return (mod & value) == value;
6. * @param mod 已有值
7. * @param value 需要添加值
8. * @return 新的状态值
9. public static long addMark(long mod, long value) {
10. if (hasMark(mod, value)) {
11. return mod;
12. return (mod | value);
13. * @param mod 已有值
14. * @param value 需要删除值
15. * @return 新值
16. public static long removeMark(long mod, long value) {
17. if (!hasMark(mod, value)) {
18. return mod;
19. return mod ^ value;

总结一下，我们在数据库设计时，将多个标识字段合并成一个字段，并把这个字段改成字符串型方式保存，不仅消除相同字段的冗余，而且当增加新的渠道类别时，不需增加新的字段，但是字符串类型的字段在查询效率和存储空间上不如整型字段。因此，我们可以参考用“位”来解决这个问题。我们采取不同的位来分别表示不同类别的标识字段。