Java位运算原理及使用讲解

Posted 2021-11-01 findbetterme

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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

操作数2

按位与

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

操作数2

按位或

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

按位或

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

操作数2

按位异或

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

-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

操作数2

按位异或

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