可能是最通俗易懂的 Java 位操作运算讲解

阅读 1073
收藏 63
2017-04-21
原文链接:blog.csdn.net

Java 位操作这是一项很基础很基础的知识内容,在所有 Android 和 Java 开发者的学习之路上,大家都接触过,但是实际运用的场景却很少见,很多人估计都忘记有这个知识点了。事实上,在 C/C++ 开发领域因为与硬件的联系更紧密,所以位操作运算应用的更普遍。Java 因为面向对象的特性很多时候不需要接触位操作,但是在某些特定场景下,巧妙运用位操作,能够起到非常高效的的表现。这篇博文不谈应用,只详细讲解与位操作有关的知识点。

基础大讲堂

所有数值都是2进制

软件开发者都知道 10 进制、16 进制、8 进制。
比如数字 10 的各位进制形式表现如下。

十进制:10
八进制:012
十六进制:0x0a
二进制:1010

我们可以打开系统的自带的计算器(Win键 + R –> 输入 CMD 打开命令行窗口 –> calc 按回车),看看上面的结论。
这里写图片描述

虽然有很多种进制,但是实际上计算机所认识的数据只有 0 和 1,因此所有的数值不管它是十进制、十六进制也好都会统统在底层被翻译成二进制数值。

int a = 5;
//0101 就是 a 的二进制表示。  

int b = 520;
//1000001000 就是 b 的二进制表示

bit、byte、world

  1. bit (位) bit 电脑记忆体中最小的单位,在二进位电脑系统中,每一 bit 可以代表 0 或 1 的数位讯号。所以它能表示的数字范围就是 0 ~ 1。
  2. byte (字节) 一个 byte 由 8 bit 组成,所以理论上一个 byte 能表示的数据范围是 0 ~ 255。
  3. word (字) 一个 word 由 2 byte 组成,所以理论上一个 word 能表示的数据范围是 0 ~ 65535。

大家可以看这张图加深下理解。
这里写图片描述

32 位与 64 位操作系统。

一般计算机设备上,CPU 主要有 32 位和 64 位(当然,单片机有 8 位和 16 位),32 位 CPU 能够寻址的范围是 4 GB。所以过去的电脑设备内存最高一般只能到达 4 GB。后来,随着芯片技术的发展,越来越多的机器采用了 64 位 CPU。这使得机器的最大内存可以为 16 GB。

那么好,我们再来谈谈 32 位操作系统与 64 位操作系统。实际上它们分别是针对 CPU 类型设计的软件系统。

32 bit 是 4 byte。通常一条 CPU 指令是 4 byte。在 32 位操作系统上,如果一条 CPU 指令是 4 byte,那么 CPU 执行一次能够读取 32 bit 内容,所以一个指令周期内就能够完成指令,如果一条 CPU 指令是 8 byte 的话,那么 32 位操作系统就需要通过 2 个指令周期才能完成指令的读取,而对应的 64 位操作系统因为一次能够读取 64 bit 内容,所以它在一个指令周期就能够读取指令。所以,理论上,64 位的操作系统是要比 32 位操作系统要快 1 倍。

但还有几个需要大家注意的地方是:
1. 64 位 CPU 机器可以安装 32 位操作系统,但效率自然跟 32 位操作系统一样。
2. 32 位 CPU 机器也可以安装 64 位操作系统。
3. 64 位 CPU 机器安装 64 位操作系统才最有效率,但跟软件优化也有关系。

不同的操作系统平台,给 C/C++ 基本数据类型变量分配的字节是不一样的。

32位编译器:

  char :1个字节
  char*(即指针变量): 4个字节(32位的寻址空间是2^32, 即32个bit,也就是4个字节。同理64位编译器)
  short int : 2个字节
  int:  4个字节
  unsigned int : 4个字节
  float:  4个字节
  double:   8个字节
  long:   4个字节
  long long:  8个字节
  unsigned long:  4个字节

64位编译器:

  char :1个字节
  char*(即指针变量): 8个字节
  short int : 2个字节
  int:  4个字节
  unsigned int : 4个字节
  float:  4个字节
  double:   8个字节
  long:   8个字节
  long long:  8个字节
  unsigned long:  8个字节

上面讲的是 C/C++ 在不同平台上的字节长度差别,但是对于 Java 而言,由于 Java 是跨平台语言,所以 JVM 表现下的基础数据字节长度其实都是一致的。


int4 个字节。

short2 个字节。

long8 个字节。

byte1 个字节。

float4 个字节。

double8 个字节。

char2 个字节。

booleanboolean属于布尔类型,在存储的时候不使用字节,仅仅使用 1 位来存储,范围仅仅为01,其字面量为truefalse

我们可以看到 Java 与 C/C++ 的基本数据类型字节长度有些不一致,所以涉及到网络通信交互或者是 JNI 开发时,数据的转换有时需要考虑下基础的字节长度。

本篇文章的主要内容是 Java 中的位操作,所以基础数据长度也是以 Java 中定义的为准。

原码 反码 补码

我们已经知道了一个 int 型数值是 4 个字节。每个字节有 8 位。但对于一个 int 或者其它整数类型如 (long)的数值而言还要注意的是,它的最高位是符号位。

  • 最高位为0表示正数。
  • 最高位为1表示负数

原码 将一个数字转换成二进制就是这个数值的原码。

int a = 5; //原码  0000 0000 0000 0101
int b = -3;  //原码  1000 0000 0000 0011

反码
分两种情况:正数和负数

  • 正数 正数的反码就是原码。
  • 负数 负数的反码是在原码的基础上,符号位不变 其它位都取反。
5 的原码:0000 0000 0000 0101

-3 的原码:1000 0000 0000 0011
-3 的反码:1111 1111 1111 1100

补码
仍然分正数和负数两种情况

  • 正数 正数的补码就是原码。
  • 负数 负数的补码在反码的基础上加1。
5 的补码:0000 0000 0000 0101


-3 的反码:1111 1111 1111 1100
-3 的补码: 1111 1111 1111 1101

计算机在进行数值运算的时候,是通过补码表示每个数值的。

比如

5 - 3 = 5 + ( -3 )
相当于 0000 0000 0000 0101 + 1111 1111 1111 1101
    = 1 0000 0000 0000 0010

最后的结果是1 0000 0000 0000 0010 这样的二进制,由于 int 类型只有 4 byte,所以最高位产生了溢出,进位 1 被丢弃。结果就变成了 0010 也就是 2,5 - 3 = 2 没有毛病。

这里写图片描述

位运算符 &、|、~、^、>>、<<

位运算符包含与运算符、或运算符、取反运算符、异或运算符、左移运算符和右移运算符。在下面的内容中,我将会一一讲解。

需要注意的是,下面测试用的数据都是 int 类型,int 类型是 4 个字节长度,但是为了方便说明示例中用的数值我都用 1 个字节表示。希望不会给大家造成困扰。

& 与运算符

规则 与运算时,进行运算的两个数,从最低位到最高位,一一对应。如果某 bit 的两个数值对应的值都是 1,则结果值相应的 bit 就是 1,否则为 0.

0 & 0 = 0,

0 & 1 = 0,

1 & 1 = 1

3 & 5 = 1 这是因为

0000 0011

&

0000 0101

=

0000 0001

按照规则,将两个数值按照低位到高位一一对齐运算,因为只有第 0 位都为 1,所以计算结果为 1.

| 或运算符

规则 与运算时,进行运算的两个数,从最低位到最高位,一一对应。如果某 bit 的两个数值对应的值只要 1 个为 1,则结果值相应的 bit 就是 1,否则为 0。

0 | 0 = 0,

0 | 1 = 1,

1 | 1 = 1

3 | 5 = 7 这是因为

0000 0011

|

0000 0101

=

0000 0111

~ 取反运算符

规则 对操作数的每一位进行操作,1 变成 0,0 变成 1。

~5 =>  0000 0101   ~  => 1111 1010

^ 异或运算符

规则 两个操作数进行异或时,对于同一位上,如果数值相同则为 0,数值不同则为 1。

1 ^ 0 = 1,

1 ^ 1 = 0,

0 ^ 0 = 0;

3 ^ 5 = 6,这是因为

0000 0011

|

0000 0101

=

0000 0110

值得注意的是 3 ^ 5 = 6,而 6 ^ 5 = 3

0000 0110

|

0000 0101

=

0000 0011

针对这个特性,我们可以将异或运算作为一个简单的数据加密的形式。比如,将一个mp4文件所有数值与一个种子数值进行异或得到加密后的数据,解密的时候再将数据与种子数值进行异或一次就可以了。

所以说异或运算可以作为简单的加解密运算算法

>> 右移运算符

规则 a >> b 将数值 a 的二进制数值从 0 位算起到第 b - 1 位,整体向右方向移动 b 位,符号位不变,高位空出来的位补数值 0。

5 >> 1 ===>  1000 0000 0000 0101 >> 1  = 1000 0000 0000 0010 = 2
7 >> 2 ===>  1000 0000 0000 0111 >> 2  = 1000 0000 0000 0001 = 1
9 >> 3 ===>  1000 0000 0000 1001 >> 3  = 1000 0000 0000 0001 = 1
11 >> 2 ===> 1000 0000 0000 1011 >> 2 = 1000 0000 0000 0010 = 2

大家发现什么规律没有?a >> b = a / ( 2 ^ b ) ,所以 5 >> 1= 5 / 2 = 2,11 >> 2 = 11 / 4 = 2。

<< 左移运算符

规则 a << b 将数值 a 的二进制数值从 0 位算起到第 b - 1 位,整体向左方向移动 b 位,符号位不变,低位空出来的位补数值 0。

5 << 1 ===>  1000 0000 0000 0101 << 1  = 1000 0000 0000 1010 = 10
7 << 2 ===>  1000 0000 0000 0111 << 2  = 1000 0000 0001 1100 = 28
9 << 3 ===>  1000 0000 0000 1001 << 3  = 1000 0000 0100 1000 = 72
11 << 2 ===> 1000 0000 0000 1011 << 2 = 1000 0000 0010 1100 = 44

很明显就可以看出 a << b = a * (2 ^ b)

综合上面两个可以看到,如果某个数值右移 n 位,就相当于拿这个数值去除以 2 的 n 次幂。如果某个数值左移 n 位,就相当于这个数值乘以 2 ^ n。

总结

Java 的位运算内容就是上面讲到的这些,这些东西都非常简单。但是有时候简单的东西却能很大程序上提高开发效率。之所以想起写这篇文章,是因为在阅读 Android 相关代码时,正好看到了位运算的身影,只觉得非常好用和巧妙。下一篇文章我会专门来介绍 Java 位运算在 Android 源码中的巧妙应用。文章写完后我会放上链接地址。

参考内容

32位机和64位机的区别及基本数据类型占字节数

评论