Java中的位運算符

Java中的位運算符

文本關(guān)鍵字：位運算符、位邏輯運算符、移位運算符

一、位運算符

大家在接觸運算符的時候通常都已經(jīng)學(xué)完了變量的使用，對于算術(shù)以及賦值運算的感覺就是So easy!這不就是小學(xué)的知識嘛，對于邏輯運算符的部分依然無壓力，這不就是中學(xué)的知識嘛？但是突然出現(xiàn)了一個位運算符，啥是移位？啥是異或？接下來就先從簡單的開始。
說起位運算符，其實就是基于數(shù)據(jù)存儲的二進制位進行的運算，更底層，所以效率更高。另外一個需要注意的問題就是：由于小數(shù)在進行存儲的時候采用的是IEEE（符號、指數(shù)、尾數(shù)）方式，并不止對整數(shù)和小數(shù)部分直接轉(zhuǎn)換為二進制來存儲的，所以小數(shù)是不能使用位運算符來操作的。對于整數(shù)和字符型的運算符操作也有一些潛在的法則，相信看完這篇文章你很容易就會掌握。

二、邏輯運算

在邏輯運算中我們已經(jīng)使用過能夠表達邏輯意義的運算符，如：&&，||，!。這些運算符都有一個共同點，那就是：運算符兩邊都是布爾值或布爾表達式，他們能夠操作的數(shù)據(jù)類型有限，只能夠幫我們進行邏輯運算。有些教材將&，|等位運算符也歸為邏輯運算符，因為按位與（&）、按位或（|）能夠操作的數(shù)據(jù)類型較多，其中就包括布爾類型，并且也能夠幫助我們進行邏輯運算，但是小編還是建議按照符號本身的運算方式和操作數(shù)據(jù)類型等來記憶。

1. 與（&）

• 與運算

與運算相當(dāng)于物理電路中的串聯(lián)電路，我們假設(shè)用1代表通路，用0代表斷路，那么對于串聯(lián)電路來說，只有當(dāng)運算符兩邊全為1（通路）時，運算結(jié)果才為1（通路）。

• 按位與

那么按位與就是將運算符兩邊的數(shù)字轉(zhuǎn)換為二進制后，在每兩個對應(yīng)位置上的數(shù)字進行與運算，再將最后的結(jié)果按十進制寫出就可以了。
24 & -30：
00000000 00000000 00000000 00011010 = 26
11111111 11111111 11111111 11100010 = -30
00000000 00000000 00000000 00000010 = 26 & -30 = 2

• 邏輯與的短路問題

當(dāng)我們在使用邏輯與（&&）時會遇到一個短路問題：當(dāng)用&&把多個布爾表達式連接起來的時候，為了以最快的速度得出結(jié)果，那么有些式子將不會執(zhí)行，被跳過的式子中的代碼也就不會被執(zhí)行。比如：(假式 && 真式 && 真式)，經(jīng)過前兩個式子的結(jié)果已經(jīng)能夠確定整個式子的結(jié)果：為假，第三個式子無論為真或假都不會影響最終結(jié)果，這個時候就會進行跳過。
但是對于&（按位與），由于本質(zhì)上是一個位運算，只不過同時也支持布爾類型的直接運算而已，所以不會出現(xiàn)表達式不執(zhí)行的情況。

2. 或（|）

• 或運算

或運算相當(dāng)于物理電路中的并聯(lián)電路，我們假設(shè)用1代表通路，用0代表斷路，那么對于并聯(lián)電路來說，只要運算符兩邊有一個為1（通路）時，運算結(jié)果就為1（通路）。

• 按位或

那么按位或就是將運算符兩邊的數(shù)字轉(zhuǎn)換為二進制后，在每兩個對應(yīng)位置上的數(shù)字進行或運算，再將最后的結(jié)果按十進制寫出就可以了。
26 | -30：
00000000 00000000 00000000 00011010 = 26
11111111 11111111 11111111 11100010 = -30
11111111 11111111 11111111 11111010 = 26 | -30 = -6

• 邏輯或的短路問題

當(dāng)我們在使用邏輯或（||）時會遇到一個短路問題：當(dāng)用||把多個布爾表達式連接起來的時候，為了以最快的速度得出結(jié)果，那么有些式子將不會執(zhí)行，被跳過的式子中的代碼也就不會被執(zhí)行。比如：(真式 || 假式 && 假式)，經(jīng)過前兩個式子的結(jié)果已經(jīng)能夠確定整個式子的結(jié)果：為真，第三個式子無論為真或假都不會影響最終結(jié)果，這個時候就會進行跳過。
但是對于|（按位與），與按位或相同，是一個位運算符，不會出現(xiàn)跳過的情況。

3. 取反（~）

• 運算規(guī)則

取反運算的規(guī)則相對簡單，同樣是在二進制位上的運算，那么遇到0變?yōu)?，遇到1變?yōu)?。

• 實用公式

對于一個數(shù)n的取反可以按照公式快讀得出結(jié)果：~n = -n - 1

4. 異或（^）

• 運算規(guī)則：

其實異或的運算規(guī)則很好記，對對碰原則，兩個數(shù)相同為0，不同為1，如下表：

• 運算律：
  • a ^ a = 0
  • 交換律：a ^ b = b ^ a
  • 結(jié)合律：a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c
  • a ^ b ^ a = b
• 兩數(shù)交換的用法：

如果我們需要將兩個數(shù)交換，一般都需要引入第三個變量，作為中間變量或進行運算實現(xiàn)。其實，我們還可以利用異或運算的規(guī)律來實現(xiàn)：不借助第三個變量來實現(xiàn)兩個數(shù)的交換。
a = a ^ b;
b = a ^ b; -> 使用交換律：b = (a ^ b) ^ b = (b ^ a) ^ b = a
a = a ^ b; -> 此時b的值為a，a的值為：(a ^ b) -> a = (a ^ b) ^ a = b
特別注意：雖然異或可以用于兩個數(shù)的交換，但是由于異或有一個特別的性質(zhì)，即a ^ a = 0，所以當(dāng)兩個數(shù)相等時，會導(dǎo)致兩個數(shù)都變?yōu)?

三、移位運算

特別注意：對于位移運算不能直接和除法的結(jié)果等同，在負(fù)數(shù)時將不相等

1. 左移（<<）

將一個整數(shù)的二進制位向左平移指定的位數(shù)，由于是左移就相當(dāng)于是擴大了數(shù)值，并且每移動一位，相當(dāng)于擴大了二倍。

• 移出的高位將被丟棄
• 右側(cè)補零

由于正數(shù)的高位都是0，負(fù)數(shù)的高位都是1，所以在一定的范圍內(nèi)，經(jīng)過向左移位不會改變數(shù)字的正負(fù)。但如果超出了一定的范圍，將會改變數(shù)字的正負(fù)，并且會充滿隨機性，正負(fù)性將取決于最高位（符號位）的數(shù)值。
-7 << 2 = -28
-7 << 30 = 1073741824

2. 右移（>>）

將一個整數(shù)的二進制位向右平移指定的位數(shù)，由于是右移就相當(dāng)于是縮小了數(shù)值，并且每移動一位，相當(dāng)于縮小了二倍。

• 移出的低位將被丟棄
• 若為正數(shù)，高位補0
• 若為負(fù)數(shù)，高位補1

由于符號位在高位的部分，并且在移動的過程中的補位也是根據(jù)正負(fù)的規(guī)則在補，所以右移不會改變正負(fù)。

3. 無符號右移（>>>）

無符號右移的計算規(guī)則與右移相同，區(qū)別在于，不會進行正負(fù)的區(qū)分，高位一律用0補位。如果原數(shù)是一個負(fù)數(shù)，則可能直接得到一個非常大的正數(shù)。

• -27 >> 2 = -7
• -27 >>> 2 = 1073741817

  四、運算規(guī)則

  1. 運算符兩邊精度不一致

• 需要先進行精度的統(tǒng)一，即以高精度為準(zhǔn)，低精度的數(shù)據(jù)進行補位
  • 正數(shù)高位補0
  • 負(fù)數(shù)高位補1

    2. 移位運算規(guī)則

• 移動的位數(shù)不應(yīng)該超過該數(shù)字對應(yīng)的二進制位數(shù)
  • 得到的結(jié)果無數(shù)學(xué)意義
  • 會得到一些極端值結(jié)果