什么是位運(yùn)算？

程序中的所有數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中都是以二進(jìn)制的形式儲存的。位運(yùn)算說穿了，就是直接對整數(shù)在內(nèi)存中的二進(jìn)制位進(jìn)行操作。比如，and運(yùn)算本來是一個(gè)邏輯運(yùn)算符，但整數(shù)與整數(shù)之間也可以進(jìn)行and運(yùn)算。舉個(gè)例子，6的二進(jìn)制是110，11的二進(jìn)制是1011，那么6 and 11的結(jié)果就是2，它是二進(jìn)制對應(yīng)位進(jìn)行邏輯運(yùn)算的結(jié)果（0表示False，1表示True，空位都當(dāng)0處理）：

110
AND 1011
———-
0010 –> 2

由于位運(yùn)算直接對內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，不需要轉(zhuǎn)成十進(jìn)制，因此處理速度非?？?。當(dāng)然有人會說，這個(gè)快了有什么用，計(jì)算6 and 11沒有什么實(shí)際意義啊。這一系列的文章就將告訴你，位運(yùn)算到底可以干什么，有些什么經(jīng)典應(yīng)用，以及如何用位運(yùn)算優(yōu)化你的程序。

引言

這個(gè)還真是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，如果你跟我一樣之前沒有好好學(xué)習(xí)過Java基礎(chǔ)語法，這塊對你來說應(yīng)該是一個(gè)懵逼點(diǎn)吧。不談底層什么的，單單從android編程來看，我們在加密算法還有網(wǎng)絡(luò)包處理等業(yè)務(wù)上使用位運(yùn)算的頻率還是很高的，更別提Intent中的那些種類繁多的Flag了，因此學(xué)好這方面的基礎(chǔ)知識還是很重要的

本系列的例子使用的是Kotlin的語法，跟Java相比還是有所區(qū)別，請對照參考

無符號和有符號

在計(jì)算機(jī)中，可以區(qū)分正負(fù)的類型稱為有符號類型，沒有正負(fù)類型的稱為無符號類型。

一個(gè)字節(jié)為8位，從0開始算，那它的最高位就是第7位。同樣2個(gè)字節(jié)最高位為第15位，4個(gè)字節(jié)最高位為第31位。不同長度的類型，最高位不同，但是都是最左邊的那個(gè)。

無符號數(shù)中，所有的位都用于直接表示該值的大??；有符號數(shù)中最高位用于表示正負(fù)，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。因此同樣一個(gè)字節(jié)，無符號數(shù)最大值為255，有符號數(shù)最大值為127。有符號數(shù)最大值計(jì)算完全跟無符號數(shù)一樣，但是在負(fù)數(shù)范圍內(nèi)就不能用剛才那種計(jì)算方式了，在計(jì)算機(jī)中，負(fù)數(shù)除了最高位為1以外，還采用補(bǔ)碼的形式，所以在計(jì)算中要對補(bǔ)碼進(jìn)行還原

值得注意：的是JAVA的原始類型里沒有無符號整型，如果需要轉(zhuǎn)成無符號類型，可以用ushr

原碼、補(bǔ)碼、反碼

這個(gè)是高中就教過的知識，這里就不再做介紹

提醒一下，負(fù)數(shù)都是用補(bǔ)碼參與運(yùn)算的，得到的也是補(bǔ)碼，需要減1取反獲得原碼。

位運(yùn)算符

位運(yùn)算主要在直接操控二進(jìn)制數(shù)時(shí)進(jìn)行使用，可以達(dá)到節(jié)約內(nèi)存，使你的程序運(yùn)行速度更快

Java定義了位運(yùn)算符，可應(yīng)用在整形(int)、長整型(long)、短整型(short)以及字符型(byte)等類型上。位運(yùn)算符作用在所有的位上，并按位進(jìn)行運(yùn)算。Kotlin與之略有不同，它并沒有提供特殊的操作符，只提供了中綴形式的表示方法，并且Kotlin只可用在Int和Long類型上，這點(diǎn)千萬要記住

咱們來看一個(gè)例子

 val a1 = 60
 val b1 = 13
 var c1 = -5
 // 與
 println(a1 and b1)
 // 或
 println(a1 or b1)
 // 異或
 println(a1 xor b1)
 // 按位取反
 println(a1.inv())
 // 左移
 println(a1.shl(1))
 // 右移
 println(a1.shr(1))
 // 無符號右移
 println(a1.ushr(1))

先看看結(jié)果，然后我們再一個(gè)個(gè)的分析

12
61
49
-61
120
30
30

我們知道，Java中的Int是4個(gè)字節(jié)32位的，那么a1與b1、c1轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制就應(yīng)該是

val a1 = 60 // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1100
val b1 = 13 // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1101
var c1 = -5 // 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011

隨后就是7種中綴表達(dá)式的計(jì)算規(guī)則

and 如果對應(yīng)位都是1，則結(jié)果為1，否則為0

or 如果對應(yīng)位都是0，則結(jié)果為0，否則為1

xor 如果對應(yīng)位值相同，則結(jié)果為0，否則為1

inv 按位翻轉(zhuǎn)操作數(shù)的每一位，即0變成1，1變成0

shl 按位左移指定的位數(shù)，相當(dāng)于乘以2的N次方。移掉的省略，右邊缺失的位，用0補(bǔ)齊

shr 按位右移指定的位數(shù)，相當(dāng)于除以2的N次方，移掉的省略，左邊缺失的位，如果是正數(shù)則補(bǔ)0，若為負(fù)數(shù)，可能補(bǔ)0或補(bǔ)1，這取決于所用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

ushr 按位右移指定的位數(shù)，移掉的省略，左邊缺失的位，用0補(bǔ)齊

所以我們來看看按位計(jì)算的結(jié)果（省略掉高位重復(fù)的0或者1，只看低八位）

通過上述規(guī)則，我們就能明白計(jì)算結(jié)果是怎樣得到的

“與”的結(jié)果就是00001100，即為12
“或”的結(jié)果就是00111101，即為61
“異或”的結(jié)果就是00110001，即為49
“非a1”的結(jié)果就是11000011，即為-61
“左移a1 1位”的結(jié)果就是01111000，即為120
“右移a1 1位”的結(jié)果就是00011110，即為30
“無符號右移a1 1位”的結(jié)果就是00011110，即為30

有一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，對于一個(gè)Int類型的數(shù)值，無論你執(zhí)行左移還是右移還是無符號右移，只要移動(dòng)32位，效果跟沒有移動(dòng)一致。這是因?yàn)樵贘AVA進(jìn)行移位運(yùn)算中因?yàn)镮nt是占32位，進(jìn)行移位的數(shù)就是32的模，所以當(dāng)數(shù)值移動(dòng)32位的時(shí)候就等于數(shù)值移動(dòng)0位，也相當(dāng)于沒有進(jìn)行移位。同理Long類型的移位，Long占8字節(jié)也就是64位，所以移位的數(shù)是64的模

應(yīng)用舉例

有一個(gè)位運(yùn)算口訣大家可以記一下：

清零取反要用與，某位置一可用或

若要取反和交換，輕輕松松用異或

判斷Int型變量a是奇數(shù)還是偶數(shù)

a1 and 1 = 0 // 偶數(shù)
a1 and 1 = 0 // 奇數(shù)

獲取Int型變量的第K位(注：K從0開始依次由右往左，以下揭同)

a1 shr k and 1

將Int型變量的第K位清0

a1 and ((1 shl k).inv())

將Int型變量的第K位置1

a1 or (1 shl k)

平均值

(a1 and b1)+((a1 xor b1) shr 1)

不用temp交換兩個(gè)整數(shù)

a1 = a1 xor b1
b1 = b1 xor a1
a1 = a1 xor b1

獲取絕對值

val temp = c1 shr 31
(c1 + temp) xor temp
(c1 xor temp) - temp

獲取相反數(shù)

c1.inv()+1

Int轉(zhuǎn)byte數(shù)組

val bytes = ByteArray(4)
bytes[0] = (a1 and 0xFF).toByte()
bytes[1] = (a1 shr 8 and 0xFF).toByte()
bytes[2] = (a1 shr 16 and 0xFF).toByte()
bytes[3] = (a1 shr 24 and 0xFF).toByte()

補(bǔ)零擴(kuò)展和補(bǔ)符號位擴(kuò)展

在看這個(gè)問題之前，我們先做一個(gè)小游戲

val byte1: Byte = -127
println(byte1)
println(byte1.toInt())
println(byte1.toInt() and 0xff)

看官請猜猜看呢

還是我來公布答案吧

-127
-127
129

能解釋一下為什么-127變成129嗎？這個(gè)就牽扯到補(bǔ)零擴(kuò)展和補(bǔ)符號位擴(kuò)展了

之前我們知道，Java是沒有無符號類型的，byte是8個(gè)字節(jié)而int是32個(gè)字節(jié)。在byte轉(zhuǎn)int的時(shí)候，肯定要將8位補(bǔ)到32位。Java中的擴(kuò)展方式是補(bǔ)符號位擴(kuò)展，所以-127通過補(bǔ)符號位擴(kuò)展之后還是-127，即11111111 11111111 11111111 10000001。如果采用補(bǔ)零擴(kuò)展，相當(dāng)于11111111 11111111 11111111 10000001 and 11111111，這個(gè)值就是00000000 00000000 00000000 10000001，也就是129了

為了加深記憶，我再留一道題給大家思考

println(0x100000000L + 0xcafebabe.toInt())
println(0x100000000L + 0xcafebabeL)

這兩個(gè)表達(dá)式打印出來也不一樣，現(xiàn)在你應(yīng)該能明白為什么不一樣了吧

總結(jié)一下

Java中只有有符號數(shù)。當(dāng)byte擴(kuò)展到short，int時(shí)，因?yàn)榉栁皇?，所以正數(shù)都一樣，無論如何都是補(bǔ)零擴(kuò)展；但負(fù)數(shù)補(bǔ)零擴(kuò)展和按符號位擴(kuò)展結(jié)果完全不同。

補(bǔ)符號位擴(kuò)展，原數(shù)值不變。補(bǔ)零擴(kuò)展，相當(dāng)于把有符號數(shù)看成無符號數(shù)。

對于有符號數(shù)，默認(rèn)采用符號位擴(kuò)展。由小擴(kuò)展到大時(shí)，需要用and 0xff這樣方式來確保是按補(bǔ)零擴(kuò)展的；而從大向小時(shí)，符號位自動(dòng)無效，所以不用處理。如果是char類型，那么不管它將要被擴(kuò)展成什么類型，都執(zhí)行補(bǔ)零擴(kuò)展

參考文章

• Java的移位操作(收集+糾正)
• 淺談Java中的補(bǔ)零擴(kuò)展和補(bǔ)符號位擴(kuò)展
• java中的有符號，無符號操作以及DataInputStream

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對腳本之家的支持。

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