Java位运算在程序设计中的使用：位掩码（BitMask）

Posted 2021-01-26 会偷袭的猫

在Java中，位运算符有很多，例如与(&)、非(~)、或(|)、异或(^)、移位(<<和>>)等。这些运算符在日常编码中很少会用到。

在下面的一个例子中，会用到位掩码（BitMask），其中包含大量的位运算。不只是在Java中，其他编写语言中也是可以使用的。

例如，在一个系统中，用户一般有查询(Select)、新增(Insert)、修改(Update)、删除(Delete)四种权限，四种权限有多种组合方式，也就是有16中不同的权限状态（2的4次方）。

一般是这样写：

public class Permission {
    
    // 是否允许查询
    private boolean allowSelect;
    
    // 是否允许新增
    private boolean allowInsert;
    
    // 是否允许删除
    private boolean allowDelete;
    
    // 是否允许更新
    private boolean allowUpdate;

    // 省略Getter和Setter
}

上面用四个boolean类型变量来保存每种权限状态。

位掩码：下面是另外一种方式，使用位掩码的话，用一个二进制数即可，每一位来表示一种权限，0表示无权限，1表示有权限。

public class NewPermission {
    // 是否允许查询，二进制第1位，0表示否，1表示是
    public static final int ALLOW_SELECT = 1 << 0; // 0001
    
    // 是否允许新增，二进制第2位，0表示否，1表示是
    public static final int ALLOW_INSERT = 1 << 1; // 0010
    
    // 是否允许修改，二进制第3位，0表示否，1表示是
    public static final int ALLOW_UPDATE = 1 << 2; // 0100
    
    // 是否允许删除，二进制第4位，0表示否，1表示是
    public static final int ALLOW_DELETE = 1 << 3; // 1000
    
    // 存储目前的权限状态
    private int flag;

    /**
     *  重新设置权限
     */
    public void setPermission(int permission) {
        flag = permission;
    }

    /**
     *  添加一项或多项权限
     */
    public void enable(int permission) {
        flag |= permission;
    }
    
    /**
     *  删除一项或多项权限
     */
    public void disable(int permission) {
        flag &= ~permission;
    }
    
    /**
     *  是否拥某些权限
     */
    public boolean isAllow(int permission) {
        return (flag & permission) == permission;
    }
    
    /**
     *  是否禁用了某些权限
     */
    public boolean isNotAllow(int permission) {
        return (flag & permission) == 0;
    }
    
    /**
     *  是否仅仅拥有某些权限
     */
    public boolean isOnlyAllow(int permission) {
        return flag == permission;
    }
}

以上代码中，用四个常量表示了每个二进制位代码的权限项。

例如：

ALLOW_SELECT = 1 << 0 转成二进制就是0001，二进制第一位表示Select权限。
ALLOW_INSERT = 1 << 1 转成二进制就是0010，二进制第二位表示Insert权限。

private int flag存储了各种权限的启用和停用状态，相当于代替了Permission中的四个boolean类型的变量。

用flag的四个二进制位来表示四种权限的状态，每一位的0和1代表一项权限的启用和停用，下面列举了部分状态表示的权限：

flag	删除	修改	新增	查询
1(0001)	0	0	0	1	只允许查询（即等于ALLOW_SELECT）
2(0010)	0	0	1	0	只允许新增（即等于ALLOW_INSERT）
4(0100)	0	1	0	0	只允许修改（即等于ALLOW_UPDATE）
8(1000)	1	0	0	0	只允许删除（即等于ALLOW_DELETE）
3(0011)	0	0	1	1	只允许查询和新增
0	0	0	0	0	四项权限都不允许
15(1111)	1	1	1	1	四项权限都允许

使用位掩码的方式，只需要用一个大于或等于0且小于16的整数即可表示所有的16种权限的状态。

此外，还有很多设置权限和判断权限的方法，需要用到位运算，例如：

public void enable(int permission) {
    flag |= permission; // 相当于flag = flag | permission;
}

调用这个方法可以在现有的权限基础上添加一项或多项权限。

添加一项Update权限：

permission.enable(NewPermission.ALLOW_UPDATE);

假设现有权限只有Select，也就是flag是0001。执行以上代码，flag = 0001 | 0100，也就是0101，便拥有了Select和Update两项权限。

添加Insert、Update、Delete三项权限：

permission.enable(NewPermission.ALLOW_INSERT 
    | NewPermission.ALLOW_UPDATE | NewPermission.ALLOW_DELETE);

NewPermission.ALLOW_INSERT | NewPermission.ALLOW_UPDATE | NewPermission.ALLOW_DELETE运算结果是1110。假设现有权限只有Select，也就是flag是0001。flag = 0001 | 1110，也就是1111，便拥有了这四项权限，相当于添加了三项权限。

上面的设置如果使用最初的Permission类的话，就需要下面三行代码：

permission.setAllowInsert(true);
permission.setAllowUpdate(true);
permission.setAllowDelete(true);

二者对比

设置仅允许Select和Insert权限

传统方式：

permission.setAllowSelect(true);
permission.setAllowInsert(true);
permission.setAllowUpdate(false);
permission.setAllowDelete(false);

位掩码方式：

permission.setPermission(NewPermission.ALLOW_SELECT | NewPermission.ALLOW_INSERT);

判断是只否允许Select和Insert权限

传统方式：

if (permission.isAllowSelect() && permission.isAllowInsert() 
    && !permission.isAllowUpdate() && !permission.isAllowDelete())

位掩码方式：

if (permission. isOnlyAllow (NewPermission.ALLOW_SELECT | NewPermission.ALLOW_INSERT))

二者对比可以感受到位掩码方式相对于传统方式的优势，可以节省很多代码量，位运算是底层运算，效率也非常高，而且理解起来也很简单。