阅读 714

彻底弄懂Java的移位操作符

前言

对于移位操作符,很多人既感到熟悉,又感到陌生。熟悉是因为移位操作符是最基本的操作符之一,几乎每种编程语言都包含这一操作符;陌生是因为除非是追求极致性能等罕见场景,否则也很难用得上它。打开JDK源码,你会发现移位操作符的身影极为常见,弄清楚它的用法,对阅读源码很有帮助。

移位操作是把数据看作是二进制数,然后将其向左或向右移动若干位的运算。在Java编程语言中,移位操作符包含三种,分别是 <<(左移)、 >>(带符号右移)和 >>>(无符号右移),这三种操作符都只能作用于longintshortbytechar这四种基本的整型类型上。

左移操作符 <<

左移操作符 << 是将数据转换成二进制数后,向左移若干位,高位丢弃,低位补零。看如下例子:

public static void main(String[] args) {
    int i = -1;
    System.out.println("Before << , i's value is " + i);
    System.out.println("i's binary string is " + Integer.toBinaryString(i));
    i <<= 10;
    System.out.println("After << , i's value is " + i);
    System.out.println("i's binary string is " + Integer.toBinaryString(i));
}
复制代码

Java的int占32位,因此对i = -1转换成二进制数,然后左移10位,其结果是左边高10位丢弃,右边低10位补0,再转换为十进制,得到i = -1024的结果。

int -1 << 10 = -1024
int -1 << 10 = -1024

因此,上述例子的输出结果为:

Before << , i's value is -1
i's binary string is 11111111111111111111111111111111
After << , i's value is -1024
i's binary string is 11111111111111111111110000000000
复制代码

带符号右移操作符 >>

众所周知,Java中整型表示负数时,最高位为符号位,正数为0,负数为1>> 是带符号的右移操作符,将数据转换成二进制数后,向右移若干位,高位补符号位,低位丢弃。对于正数作右移操作时,具体体现为高位补0;负数则补1。看如下例子:

public static void main(String[] args) {
    // 对正数进行右移操作
    int i1 = 4992;
    System.out.println("Before >> , i1's value is " + i1);
    System.out.println("i1's binary string is " + Integer.toBinaryString(i1));
    i1 >>= 10;
    System.out.println("After >> , i1's value is " + i1);
    System.out.println("i1's binary string is " + Integer.toBinaryString(i1));
    // 对负数进行右移操作
    int i2 = -4992;
    System.out.println("Before >> , i2's value is " + i2);
    System.out.println("i2's binary string is " + Integer.toBinaryString(i2));
    i2 >>= 10;
    System.out.println("After >> , i2's value is " + i2);
    System.out.println("i2's binary string is " + Integer.toBinaryString(i2));
}
复制代码

例子中,i1 = 4992转换成二进制数,右移10位,其结果是左边高10位补0,右边低10位丢弃,再转换为十进制,得到i1 = 4的结果。同理,i2 = -4992,右移10位,左边高10位补1,右边低10位丢弃,得到i2 = -5的结果。

int 4992 >> 10 = 4 和 int -4992 >> 10 = -5
int 4992 >> 10 = 4 和 int -4992 >> 10 = -5

因此,上述例子的输出结果为:

Before >> , i1's value is 4992
i1's binary string is 1001110000000
After >> , i1's value is 4
i1's binary string is 100
Before >> , i2's value is -4992
i2's binary string is 11111111111111111110110010000000
After >> , i2's value is -5
i2's binary string is 11111111111111111111111111111011
复制代码

无符号右移操作符 >>>

无符号右移操作符 >>>>>类似,都是将数据转换为二进制数后右移若干位,不同之处在于,不论负数与否,结果都是高位补零,低位丢弃。看如下例子:

public static void main(String[] args) {
    int i3 = -4992;
    System.out.println("Before >>> , i3's value is " + i3);
    System.out.println("i3's binary string is " + Integer.toBinaryString(i3));
    i3 >>>= 10;
    System.out.println("After >>> , i3's value is " + i3);
    System.out.println("i3's binary string is " + Integer.toBinaryString(i3));
}
复制代码

同样对i3 = -4992进行操作,转换成二进制数后,右移10位,其结果为左边高10位补0,右边低10位丢弃,再转换成十进制,得到i3 = 4194299的结果。

int -4992 >>> 10 = 4194299
int -4992 >>> 10 = 4194299

因此,上述例子的输出结果为:

Before >>> , i3's value is -4992
i3's binary string is 11111111111111111110110010000000
After >>> , i3's value is 4194299
i3's binary string is 1111111111111111111011
复制代码

真的懂了吗?

对 short、byte、char 的移位操作

再看如下例子:

public static void main(String[] args) {
    byte b = -1;
    System.out.println("Before >> , b's value is " + b);
    System.out.println("b's binary string is " + Integer.toBinaryString(b));
    b >>>= 6;
    System.out.println("After >> , b's value is " + b);
    System.out.println("b's binary string is " + Integer.toBinaryString(b));
}
复制代码

Java的byte占8位,按照前面讲述的原理,对b = -1转换为二进制数后,右移6位,左边高6位补0,右边低位丢弃,其结果应该是b = 3

int -1 >>> 6 = 3 ?
int -1 >>> 6 = 3 ?

真的这样吗?我们看一下例子运行的结果:

Before >> , b's value is -1
b's binary string is 11111111111111111111111111111111
After >> , b's value is -1
b's binary string is 11111111111111111111111111111111
复制代码

运行结果与我们预期的结果不对!

原来,Java在处理byteshortchar的移位操作前,会先将其转型成int类型,然后在进行操作!特别地,当对这三者使用<<=>>=>>>=时,其实是得到对移位后的int进行低位截断后的结果!对例子改动一下进行验证:

public static void main(String[] args) {
    byte b = -1;
    System.out.println("Before >> , b's value is " + b);
    System.out.println("b's binary string is " + Integer.toBinaryString(b));
    System.out.println("After >> , b's value is " + (b >>> 6));
    System.out.println("b's binary string is " + Integer.toBinaryString(b >>> 6));
}
复制代码

在该例子中,没有使用 >>>=b 进行再赋值,而是直接将 b >>> 6 进行输出(需要注意的是,b >>> 6 的结果为 int 类型),其输出如下:

Before >> , b's value is -1
b's binary string is 11111111111111111111111111111111
After >> , b's value is 67108863
b's binary string is 11111111111111111111111111
复制代码

因此,第一个例子中实际的运算过程应该是这样:

byte -1 >>> 6 = -1
byte -1 >>> 6 = -1

对于shortchar的移位操作原理也一样,读者可以自行进行实验验证。

如果移位的位数超过数值所占有的位数会怎样?

到目前为止的所有的例子中,移位的位数都在数值所占有的位数之内,比如对int类型的移位都没有超过32。那么如果对int类型移位超过32位会怎样?且看如下例子:

public static void main(String[] args) {
    int i4 = -1;
    System.out.println("Before >>> , i4's value is " + i4);
    System.out.println("i4's binary string is " + Integer.toBinaryString(i4));
    System.out.println("After >>> 31 , i4's value is " + (i4 >>> 31));
    System.out.println("i4's binary string is " + Integer.toBinaryString(i4 >>> 31));
    System.out.println("After >>> 32 , i4's value is " + (i4 >>> 32));
    System.out.println("i4's binary string is " + Integer.toBinaryString(i4 >>> 32));
    System.out.println("After >>> 33 , i4's value is " + (i4 >>> 33));
    System.out.println("i4's binary string is " + Integer.toBinaryString(i4 >>> 33));
}
复制代码

根据前面讲述的原理,对于i4 >>> 31我们很容易得出结果为1

int -1 >>> 31 = 1
int -1 >>> 31 = 1

那么,i4 >>> 32的结果会是0吗?

NO!Java对移位操作符的右操作数rhs有特别的处理,对于int类型,只取其低5位,也就是取rhs % 32的结果;对于long类型,只取其低6位,也即是取rhs % 64的结果。因此,对于i4 >>> 32,实际上是i4 >>> (32 % 32),也即i4 >>> 0,结果仍然是-1

int -1 >>> 32 = -1
int -1 >>> 32 = -1

同理,对于i4 >>> 33等同于i4 >>> 1,其结果为2147483647

int -1 >>> 33 = 2147483647
int -1 >>> 33 = 2147483647

因此,上述例子的输出结果如下:

Before >>> , i4's value is -1
i4's binary string is 11111111111111111111111111111111
After >>> 31 , i4's value is 1
i4's binary string is 1
After >>> 32 , i4's value is -1
i4's binary string is 11111111111111111111111111111111
After >>> 33 , i4's value is 2147483647
i4's binary string is 1111111111111111111111111111111
复制代码

对于long类型也是同样的道理,读者可以自行进行实验验证。

总结

移位操作符虽说是Java中最基本的操作符之一,但是若不彻底弄清楚其中细节,稍有不慎,便容易犯错。移位操作符实际上支持的类型只有intlong,编译器在对shortbytechar类型进行移位前,都会将其转换为int类型再操作。移位操作符在JDK源码中,最常见的用法便是将其当成是乘 * 或者除 / 操作符使用 :对一个整型左移一位,相当于乘以2;右移一位,相当于除以2。其中原因就是,相比于使用 */ ,在Java代码里使用 <<>> 转换成的指令码运行起来会更高效些。

关注下面的标签,发现更多相似文章
评论