Java位运算原理及使用讲解

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Java位运算原理及使用讲解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

前言
日常开发中位运算不是很常用,但是巧妙的使用位运算可以大量减少运行开销,优化算法。举个例子,翻转操作比较常见,比如初始值为1,操作一次变为0,再操作一次变为1。可能的做法是使用三木运算符,判断原始值为1还是0,如果是1,设置为0,否则设置为0.但是使用位运算,不用判断原始值,直接改变值就可以:

1^num//num为原始值

当然,一条语句可能对代码没什么影响,但是在高重复,大数据量的情况下将会节省很多开销。

以下是自己整理的关于java位运算的部分内容,如有错误,还请指出,以共同进步,先行致谢。

1. 位运算符
1.1 java支持的位运算符:
&:按位与。

|:按位或。

~:按位非。

^:按位异或。

<<:左位移运算符。

>>:右位移运算符。

<<<:无符号右移运算符。

位运 算 符 中 ,除 ~ 以 外 ,其余 均 为 二 元 运 算 符 。 操 作 数 只 能 为 整 型 和字 符 型 数 据 。

Java使用 补 码 来 表 示 二 进 制 数 ,在补 码 表 示 中 ,最高 位 为 符号 位 ,正数 的 符 号 位 为 0,负数 为 1。补 码 的 规 定 如 下 :

对 正 数 来 说 ,最高位为 0,其余 各 位 代 表 数 值 本 身 (以二 进制 表 示 ),如 +42的补码 为 00101010。

对 负 数 而 言 ,把该 数 绝 对 值 的 补 码 按 位 取 反 ,然后 对 整 个数 加 1,即得 该 数的 补 码 。 如 -1的补 码 为11111111111111111111111111111111(00000000000000000000000000000001按 位 取 反 11111111111111111111111111111110+1=11111111111111111111111111111111 )。为何有那么多0、1,java中int是32位的。

1.2   按位与(&)
按位与的运算规则

操作数1

0

0

1

1

操作数2

0

1

0

1

按位与

0

0

0

1

规则总结:只有两个操作数对应位同为1时,结果为1,其余全为0. (或者是只要有一个操作数为0,结果就为0)。

举例:

 

 

 

 

 

 

1.3 按位或(|)
按位或的运算规则

操作数1

0

0

1

1

操作数2

0

1

0

1

按位或

0

1

1

1

规则总结:只有两个操作数对应位同为0时,结果为0,其余全为1.(或者是只要有一个操作数为1,结果就为1)。

1.4按位非(~)
按位非的运算规则

操作数

0

1

按位或

1

0

在求负数的源码中使用过。

1.5 按位异或(^)
按位异或的运算规则

操作数1

0

0

1

1

操作数2

0

1

0

1

按位异或

0

1

1

0

规则总结:异:1.

1.6 左位移(<<)
算术右移(>>): 符号位不变,低位补0。如:2<<2结果为8。

 

当移动的位数超过数字本身的位数时,那么不就都需要补0操作,实际上不是的,java不可能做那么浪费资源的事情。在真正执行位移前,其对要移动的位数做了一些预处理,比如32处理为0,-1处理为31.

1.7 右位移(>>)
低位溢出,符号位不变,并用符号位补溢出的高位。如:-6>>2结果为-2。

 

 

1.8 无符号右移(>>>)
低位溢出,高位补0。注意,无符号右移(>>>)中的符号位(最高位)也跟着变,无符号的意思是将符号位当作数字位看待。如:-1>>>1结果为2147483647。这个数字应该比较熟悉,看两个输出语句就知道是什么了:

System.out.println(Integer.toBinaryString(-1>>>1));

System.out.println(Integer.toBinaryString(Integer.MAX_VALUE));

输出结果为:

1111111111111111111111111111111

1111111111111111111111111111111

-1>>>1竟然得到了int所能表示的最大整数,精彩。

 

除了使用-1>>>1能得到Integer.MAX_VALUE,以下的也能得到同样的结果:

        //maxInt

        System.out.println(~(1 << 31));

        System.out.println((1 << -1)-1);

        System.out.println(~(1 << -1));

使用位运算往往能很巧妙的实现某些算法完成一些复杂的功能。

常见使用
1.      m*2^n
可以使用m<<n求得结果,如:

        System.out.println("2^3=" + (1<<3));//2^3=8

        System.out.println("3*2^3=" + (3<<3));//3*2^3=24

计算结果是不是很正确呢?如果非要说2<<-1为什么不等于0.5,前面说过,位运算的操作数只能是整型和字符型。在求int所能表示的最小值时,可以使用

//minInt

System.out.println(1 << 31);

System.out.println(1 << -1);

可以发现左移31位和-1位所得的结果是一样的,同理,左移30位和左移-2所得的结果也是一样的。移动一个负数位,是不是等同于右移该负数的绝对值位呢?输出一下就能发现不是的。java中int所能表示的最大数值是31位,加上符号位共32位。在这里可以有这样的位移法则:

法则一:任何数左移(右移)32的倍数位等于该数本身。

法则二:在位移运算m<<n的计算中,若n为正数,则实际移动的位数为n%32,若n为负数,则实际移动的位数为(32+n%32),右移,同理。

左移是乘以2的幂,对应着右移则是除以2的幂。

2.      判断一个数n的奇偶性
n&1 == 1?”奇数”:”偶数”

为什么与1能判断奇偶?所谓的二进制就是满2进1,那么好了,偶数的最低位肯定是0(恰好满2,对不对?),同理,奇数的最低位肯定是1.int类型的1,前31位都是0,无论是1&0还是0&0结果都是0,那么有区别的就是1的最低位上的1了,若n的二进制最低位是1(奇数)与上1,结果为1,反则结果为0.

3.      不用临时变量交换两个数
在int[]数组首尾互换中,是不看到过这样的代码:

public static int[] reverse(int[] nums){
int i = 0;
int j = nums.length-1;
while(j>i){
nums[i]= nums[i]^nums[j];
nums[j] = nums[j]^nums[i];
nums[i] = nums[i]^nums[j];
j--;
i++;
}
return nums;
}
连续三次使用异或,并没有临时变量就完成了两个数字交换,怎么实现的呢?


上面的计算主要遵循了一个计算公式:b^(a^b)=a。

我们可以对以上公式做如下的推导:

任何数异或本身结果为0.且有定理a^b=b^a。异或是一个无顺序的运算符,则b^a^b=b^b^a,结果为0^a。

再次列出异或的计算表:

操作数1

0

0

1

1

操作数2

0

1

0

1

按位异或

0

1

1

0

可以发现,异或0具有保持的特点,而异或1具有翻转的特点。使用这些特点可以进行取数的操作。

         那么0^a,使用异或0具有保持的特点,最终结果就是a。

其实java中的异或运算法则完全遵守数学中的计算法则:

①    a ^ a =0

②    a ^ b =b ^ a

③    a ^b ^ c = a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c;

④    d = a ^b ^ c 可以推出 a = d ^ b ^ c.

⑤    a ^ b ^a = b.

4.      取绝对值
(a^(a>>31))-(a>>31)

先整理一下使用位运算取绝对值的思路:若a为正数,则不变,需要用异或0保持的特点;若a为负数,则其补码为源码翻转每一位后+1,先求其源码,补码-1后再翻转每一位,此时需要使用异或1具有翻转的特点。

任何正数右移31后只剩符号位0,最终结果为0,任何负数右移31后也只剩符号位1,溢出的31位截断,空出的31位补符号位1,最终结果为-1.右移31操作可以取得任何整数的符号位。

那么综合上面的步骤,可得到公式。a>>31取得a的符号,若a为正数,a>>31等于0,a^0=a,不变;若a为负数,a>>31等于-1 ,a^-1翻转每一位.

https://blog.csdn.net/goskalrie/article/details/52796360

以上是关于Java位运算原理及使用讲解的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

C# 逻辑位运符及运算原理 按位操作二进制

C# 逻辑位运符及运算原理 按位操作二进制

位运算简介及实用技巧:基础篇[转]

Java千问:Java位运算经典应用

Java千问:Java语言位运算符详解

《Java高级语法》第4节:位运算经典应用举例