基于BitMap的工作日间隔计算

背景问题

在我们实际开发过程中，时常会遇到日期的间隔计算，即计算多少工作日之后的日期，在不考虑法定节假日的情况下也不是那么复杂，毕竟周六、周日是相对固定的，Java语言也提供了丰富的类来处理此问题。
然而，当考虑法定节假日，原先的工作日也许变成了休息日，同样原先的休息日变成了工作日，再加上大多数客户是内网环境，节假日信息不得不维护到数据库，所以复杂度立马提升了N个档次。
由此，这里提供一些思路仅供参考。

准备工作

我们可以通过如下网址获取法定节假日的信息法定节假日。返回数据如下，这里只截取部分数据

{
  "2024-01-01": {
    "date": "2024-01-01",
    "name": "元旦",
    "isOffDay": true
  },
  "2024-02-04": {
    "date": "2024-02-04",
    "name": "春节",
    "isOffDay": false
  },
  "2024-02-10": {
    "date": "2024-02-10",
    "name": "春节",
    "isOffDay": true
  },
  "2024-02-11": {
    "date": "2024-02-11",
    "name": "春节",
    "isOffDay": true
  }
}

在这份数据中，列举了全部的法定节假日调休信息。isOffDay为true,表示和节假日相关的周六日、非周六周日休假；比如2024-01-01为周一，这里为true,表示休假；再比如2024-02-10，为周六，也表示休假。isOffDay为false,表示周六周日照常上班(也就是我们说的调休)。

解决思路(此章节不是重点，可掠过)

对于此问题，我觉得可以从数据库的设计入手。数据库设计有如下几个思路：

• 数据库保存特殊日期的数据。比如本应该工作的日期变成了节假日，本应该休息的日期变成了工作日。
  • 入库逻辑。就拿上面的数据，如果isOffDay为false,我们肯定全部入库。如果isOffDay为true，还需要判断日期是否为周六日，如果不是需要入库。
  • 计算工作日。需要针对每一天都要判断是否异常，首先按照正常逻辑处理，然后查询数据库，如果异常(数据库存在)，将结果取反。比如查询2024-4-28以后10个工作日的日期，首先查看2024-4-29是否为周末，这里是周一。然后查询数据库，数据库不存在。所以为工作日，计1天，由此向后推10个工作日。
• 数据库保存放假的数据。
  • 入库逻辑。首先通过Java提供的日期类，计算出周六周日的日期列表。然后根据接口提供的数据，如果isOffDay为false，将此日期在集合中移除；如果isOffDay为true，判断是否为周六日，如果不是，加入到集合中。最后将集合保存到数据库。
  • 计算工作日。针对每天，需要查询数据库。如果数据库不存在，则工作日＋1，否则不变。这里也可以将数据一次性读取，在内存中处理。
• 数据库保存工作日数据。
  • 入库逻辑。这个和存放放假数据相反。
  • 查询工作日。这里可以通过sql就可以查询。比如查询2024-04-28后10个工作日日期。

    select * from t_work_date where f_date > '2024-04-28' order by f_date limit 10
    

    最后一条数据就是指定的工作日。

当然，也可以将所有的数据存放到数据库。增加一个是否工作日的标识。同样可以通过sql搞定。

基于BitMap

上面思路仅供我们了解，不是这次重点。下面我们重点说明BitMap怎么计算工作日指定天数后的日期。我们知道，对于一个日期，它要么是工作，要么休息，我们很容易想到0和1。我们可以将1代表工作日，将0代表休息日。所以针对一年的数据，我们只用365(或者366)个0和1表示就行。接下来，我们同样按照入库逻辑和计算工作日两个方面说明此问题。

入库逻辑

数据库设计

这里我们创建一张表包含两个字段，f_year和f_data。 这里基于postgresql存储,sql语句如下：

create table t_date(
	f_year int2,
	data BYTEA
);

主要逻辑

由于下面代码注释很全面，这里就不写处理逻辑了。需要说明的是这里用到了Java提供的BitSet类。
这个类和其他数组一样，索引也是从0开始的。

/**
 * 填充数据。
 * @param year 计算的年份
 */
private static BitSet fillData(Integer year){
	  //返回一年多少天
	  int days = Year.of(year).length();
	  //初始化这一年多少天。
	  BitSet bitSet = new BitSet(days);
	  //默认0，这里反转，全部变为1
	  bitSet.flip(0,days);
	  //计算当前年第一个周六的日期
	  LocalDate firstSaturday = LocalDate.of(year, 1, 1)
	          .with(TemporalAdjusters.nextOrSame(DayOfWeek.SATURDAY));
	  //计算第一个周六在这个月是第几天       
	  int dayOfMonth = firstSaturday.getDayOfMonth();
	  //如果是第7天，说明1月1日是周日。所以先将第一天放假。
	  if(dayOfMonth == 7){
	      bitSet.set(0,false);
	  }
	  //当前周六，7天往后循环加，知道当期年最后一天。
	  for (int i = dayOfMonth; i <= days; i=i+7) {
	      //由于索引从0开始，所以这里-1，
	      //周六放假
	      bitSet.set(i-1,false);
	      //周日放假
	      bitSet.set(i,false);
	  }
	  
	  //解析接口的数据为JSON。这里需要自行调用接口获取json数据
	  JSONObject jsonObject = JSONObject.parseObject(json);
	  jsonObject.forEach((k,v)->{
	  	  //k为日期，v:日期信息{"date": "2024-01-01","name": "元旦","isOffDay": true}
	      LocalDate k1 = LocalDate.parse(k);
	      //获取当前日期在年份是第几天
	      int dayOfYear = k1.getDayOfYear();
	      JSONObject dataInfo = (JSONObject) v;
	      //当前日期是否放假。true:放假。false:不放假
	      Boolean isOffDay = dataInfo.getBoolean("isOffDay");
	      //由于bitSet索引是从0开始，所以这里要减1.
	      //我们这里存储的刚好和是否放假相反，所以这里取反
	      bitSet.set(dayOfYear-1,!isOffDay);
	  });
	  return bitSet;
}

这里我们计算得到的BitMap数据，并将其打印：

private static void printBitSet(BitSet bitSet){
    for (int i = 0; i < bitSet.length(); i++) {
        if(i % 8 == 0){
            System.out.println();
        }else if(i % 4 == 0){
            System.out.print(" ");
        }
        System.out.print(bitSet.get(i)?1:0);
    }
}

截取部分数据，下面双斜线后面的不是输出内容。

0111 1001 //1.8
1111 0011 //1.16
1110 0111 //1.24
1100 1111 //2.1
1011 1111 //2.9
0000 0000 //2.17
1111 1100  //2.25

我们拿到结果，那么怎么将数据存放的数据库呢？只要将BitSet转换为二进制就可以：

byte[] byteArray = bitSet.toByteArray();

这里我们顺便看一下长度：46,也就是46个字节。

计算工作日

加载到JVM缓存中

//byteArray为数据库查询到的f_data二进制数据
BitSet bitSet  = BitSet.valueOf(byteArray);

计算工作日

/**
 * 计算指定日期的工作日
 * @param currentDate 当前日期
 * @param workDay 工作日长度
 * @param bitSet 计算数据
 * @return 计算结果
 */
private static LocalDate calWorkData(String currentDate,int workDay,BitSet bitSet){
    LocalDate parse = LocalDate.parse(currentDate);
    //获取当前日在在一年的第几天
    int begin = parse.getDayOfYear();
    //将计算结果先赋值当前日期
    int last = begin;
    //workDay个工作日，这里循环workDay此
    //对于其他的算法，这里循环的次数为工作日的次数+放假的次数
    for (int i = 0; i < workDay; i++) {
        //找到下一天后的第一个设置为1的位置。
        //注意nextSetBit这个方法，从索引值(包括索引值)开始计算,所以这里要先+1。
        //还有一个方法nextClearBit,表示下一个0的位置。
        last = bitSet.nextSetBit(++last);
    }
    //last就是索引位置，用最后的索引位置-开始的索引的位置，然后将当前日期推后此天数，就是要计算的日期。
    LocalDate localDate = parse.plusDays(last - (long)begin);
    System.out.println(localDate);
    return localDate;
}

存在问题

这里并没有考虑到跨年，有一种思路。由于次年的法定节假日一般是在当年的11月份左右发布。所以在计算下一年记录的时候，将下一年的数据追加到2024年后面。这样，每一条数据的长度就变成92个字节，按照utf8编码，也就是30来个汉字，我们是可以接受的。

存储以及计算复杂度分析

通过上面提供的几种思路，所占用数据库的大小，这里我们做一个对比：

• BitMap：上面我们也计算了。f_year为2个字节，f_data的92个字节 ，共 94个字节。
• 数据库保存特殊日期：一个日期记录是2024-04-04,为10个字节，特殊日期这里至少11个。再加上各种调休。按照平均20天算，需要220个字节。
• 数据库保存放假的数据：周六日(52*2) + 11 = 115天，那么存放字节：115 * 10 = 1150个字节。
• 数据库保存工作日的数据：(365-115) * 10 = 2500个字节

虽然数据库保存特殊日期与BitMap差不多，保存放假数据和保存工作日数据存储上分别是BitMap的10倍和20倍。针对计算工作日复杂度，我觉得数据库保存工作日的数据通过一条sql语句搞定，算是最简单的，另外也没有BitMap跨年的问题。

总结

• BitMap无论在存储和计算工作日的复杂度上都占有明显的优势。
• 数据库保存工作日的数据方式，虽然占用空间是BitMap的20多倍，2000个字节也可以忽略不计，由于它计算工作日算是最简单的，也不失为采纳的思路。

思考

上面休假与工作的最小单位为一天，如果为半天，上面又该如何计算求取？