Java 位运算符

写道

位运算符用来对二进制位进行操作 ,Java中提 供 了 如 下所 示 的 位 运 算符 :

位 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 。

 
基础知识

补码

所有的整数类型（除了char 类型之外）都是有符号的整数。这意味着他们既能表示正数，又能表示负数。 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 -42的补 码 为 11010110 (00101010 按 位 取 反 11010101 +1=11010110 )

用 补 码 来 表 示 数 ,0的补 码 是 唯 一 的 ,都为 00000000。 (而在 原码 ,反码 表 示中 ,+0和 -0的表 示 是 不 唯 一 的 ,可参 见 相 应 的 书 籍 )。而 且 可 以用 111111表示 -1的补 码 (这也 是 补 码 与 原 码 和 反 码 的 区 别 )。 

 





类型长度

整 型
整型常 量 在 机 器 中 占 32位 ,具有 int型的 值 ,对于 long型值 ,则要在 数 字 后 加 L或 l,如 123L表示 一 个 长 整 数 ,它在 机 器 中 占 64位。整 型 变 量 的 类 型 有 byte、 short、 int、 long四种 。 下面 列 出各 类 型 所 在 内 存 的 位 数 和 其表 示 范 围 。

数据类型 描述 所占位数
Integers

byte Byte-length integer 8-bit two's complement

short Short integer 16-bit two's complement

int Integer 32-bit two's complement

long 
Long integer 64-bit two's complement 

 

Real numbers

float Single-precision floating point 32-bit IEEE 754

double Double-precision floating point 64-bit IEEE 754

Other types

char A single character 16-bit Unicode character

boolean A boolean value (true or false) true or false 

 

 


int类型 是 最 常 使 用 的 一 种 整 数 类 型 。 它 所 表 示的 数 据 范 围 足 够 大 ,而且 适 合 于 32位、64位处 理 器 。 但 对 于 大 型 计 算 ,常会 遇 到 很 大 的 整 数 ,超出 int类型 所 表 示 的 范 围 ,这时 要 使 用long类型 。

由 于 不 同 的 机 器 对 于 多字 节 数 据 的 存 储 方 式 不 同 ,可能 是 从 低 字 节 向 高 字 节 存 储 ,也
可能 是 从 高 字 节 向 低 字 节 存 储 ,这样 ,在分 析 网 络 协 议 或 文 件 格 式 时 ,为了 解 决 不 同 机 器 上
的字 节 存 储 顺 序 问 题 ,用 byte类型 来 表 示 数 据 是 合 适 的 。 而 通 常 情 况 下 ,由于 其 表 示 的 数 据
范围 很 小 ,容易 造 成 溢 出 ,应避 免 使 用 。

short类 型 则 很 少 使 用 ,它限 制 数 据 的 存 储 为 先 高 字 节 ,后低 字 节 ,这样 在 某 些 机 器 中 会出错 。

整型 变 量 的 定 义 ,如 :
byte b; //指定变量b为byte型
short s; //指定变量s为short型
int i; //指定变量i为int型
long l; //指定变量l为long型

浮 点 型 (实型 )数据
实型 变 量 的 类 型 有 float和 double两种 ,下表 列 出 这 两 种 类 型 所 占 内 存 的 位 数 和 其 表示 范
围。
数据类型 所占位数 数的范围
float 32 3.4e-038～3.4e+038
double 64 1.7e-308～1.7e+308

双精 度 类 型 double比单 精 度 类 型 float具有 更 高 的 精 度 和 更 大 的 表 示 范 围 ,常常 使 用 。

（三）实型 变 量 定 义 ,如

float f; //指 定 变 量 f为 float型

double d; //指 定 变 量 d为 double型

[注 ]与 C、 C++不同 ,Java中没 有 无 符 号 型 整 数 ,而且 明 确 规 定 了 整 型 和 浮 点 型 数 据 所 占 的
内存 字 节 数 ,这样 就 保 证 了 安 全 性 、 鲁 棒 性 和 平 台 无 关 性。





Java 位运算符

Java 定义的位运算（bitwise operators ）直接对整数类型的位进行操作，这些整数类型包括long，int，hort，char，and byte 。表4-2 列出了位运算：

运算符
结果

~
按位非（NOT）（一元运算）

&
按位与（AND）

|
按位或（OR）

^
按位异或（XOR）

>>
右移

>>>
右移，左边空出的位以0填充 ；无符号右移

<<
左移

&=
按位与赋值

|=
按位或赋值

^=
按位异或赋值

>>=
右移赋值

>>>=
右移赋值，左边空出的位以0填充 ；无符号左移

<<=
左移赋值

 





详细解释

按位非（NOT）

按位非也叫做补，一元运算符NOT“~”是对其运算数的每一位取反。例如，数字42，它的二进制代码为：
00101010
经过按位非运算成为
11010101

 

按位与（AND）

按位与运算符“&”，如果两个运算数都是1，则结果为1。其他情况下，结果均为零。看下面的例子：

00101010 42 &00001111 15

00001010 10

 

按位或（OR）

按位或运算符“|”，任何一个运算数为1，则结果为1。如下面的例子所示：

00101010 42 | 00001111 15

00101111 47

 

按位异或（XOR）

按 位异或运算符“^”，只有在两个比较的位不同时其结果是 1。否则，结果是零。下面的例子显示了“^”运算符的效果。这个例子也表明了XOR 运算符的一个有用的属性。注意第二个运算数有数字1的位，42对应二进制代码的对应位是如何被转换的。第二个运算数有数字0的位，第一个运算数对应位的数 字不变。当对某些类型进行位运算时，你将会看到这个属性的用处。

00101010 42 ^ 00001111 15

00100101 37 

 
位逻辑运算符的应用

下面的例子说明了位逻辑运算符：

// Demonstrate the bitwise logical operators.
class BitLogic {
public static void main(String args[]) {


String binary[] = {"0000", "0001", "0010", "0011", "0100", "0101", "0110", "0111", "1000", "1001", "1010", "1011", "1100", "1101", "1110", "1111"

};
int a = 3; // 0 + 2 + 1 or 0011 in binary
int b = 6; // 4 + 2 + 0 or 0110 in binary
int c = a | b;
int d = a & b;
int e = a ^ b;
int f = (~a & b) | (a & ~b);
int g = ~a & 0x0f;


System.out.println(" a = " + binary[a]);
System.out.println(" b = " + binary[b]);
System.out.println(" a|b = " + binary[c]);
System.out.println(" a&b = " + binary[d]);
System.out.println(" a^b = " + binary[e]);
System.out.println("~a&b|a&~b = " + binary[f]);
System.out.println(" ~a = " + binary[g]);


}
}

 

在 本例中，变量a与b对应位的组合代表了二进制数所有的 4 种组合模式：0-0，0-1，1-0 ，和1-1 。“|”运算符和“&”运算符分别对变量a与b各个对应位的运算得到了变量c和变量d的值。对变量e和f的赋值说明了“^”运算符的功能。字符串 数组binary 代表了0到15 对应的二进制的值。在本例中，数组各元素的排列顺序显示了变量对应值的二进制代码。数组之所以这样构造是因为变量的值n对应的二进制代码可以被正确的存储 在数组对应元素binary[n] 中。例如变量a的值为3，则它的二进制代码对应地存储在数组元素binary[3] 中。~a的值与数字0x0f （对应二进制为0000 1111 ）进行按位与运算的目的是减小~a的值，保证变量g的结果小于16。因此该程序的运行结果可以用数组binary 对应的元素来表示。该程序的输出如下：

a = 0011 b = 0110 a|b = 0111 a&b = 0010 a^b = 0101 ~a&b|a&~b = 0101 ~a = 1100



左移运算符
左移运算符<<使指定值的所有位都左移规定的次数。它的通用格式如下所示：

value << num
这 里，num 指定要移位值value 移动的位数。也就是，左移运算符<<使指定值的所有位都左移num位。每左移一个位，高阶位都被移出（并且丢弃），并用0填充右边。这意味着 当左移的运算数是int 类型时，每移动1位它的第31位就要被移出并且丢弃；当左移的运算数是long 类型时，每移动1位它的第63位就要被移出并且丢弃。
在对byte 和short类型的值进行移位运算时，你必须小心。因为你知道Java 在对表达式求值时，将自动把这些类型扩大为 int 型，而且，表达式的值也是int 型。对byte 和short类型的值进行移位运算的结果是int 型，而且如果左移不超过31位，原来对应各位的值也不会丢弃。但是，如果你对一个负的byte 或者short类型的值进行移位运算，它被扩大为int 型后，它的符号也被扩展。这样，整数值结果的高位就会被1填充。因此，为了得到正确的结果，你就要舍弃得到结果的高位。这样做的最简单办法是将结果转换为 byte 型。下面的程序说明了这一点：

// Left shifting a byte value.
class ByteShift {
public static void main(String args[]) {
byte a = 64, b;
int i;
i = a << 2;
b = (byte) (a << 2);
System.out.println("Original value of a: " + a);
System.out.println("i and b: " + i + " " + b);
}
}


该程序产生的输出下所示：

Original value of a: 64
i and b: 256 0 

 

因变量a在赋值表达式中，故被扩大为int 型，64（0100 0000 ）被左移两次生成值256 （10000 0000 ）被赋给变量i。然而，经过左移后，变量b中惟一的1被移出，低位全部成了0，因此b的值也变成了0。

既然每次左移都可以使原来的操作数翻倍，程序员们经常使用这个办法来进行快速的2 的乘法。但是你要小心，如果你将1移进高阶位（31或63位），那么该值将变为负值。下面的程序说明了这一点：

// Left shifting as a quick way to multiply by 2.
class MultByTwo {
public static void main(String args[]) {
int i;
int num = 0xFFFFFFE;

for(i=0; i<4; i++) {
num = num << 1;
System.out.println(num);
}
}
该程序的输出如下所示：
536870908
1073741816
2147483632
-32

初值经过仔细选择，以便在左移 4 位后，它会产生-32。正如你看到的，当1被移进31 位时，数字被解释为负值。 

 



右移运算符

右移运算符>>使指定值的所有位都右移规定的次数。它的通用格式如下所示：
value >> num
这里，num 指定要移位值value 移动的位数。也就是，右移运算符>>使指定值的所有位都右移num位。下面的程序片段将值32右移2次，将结果8赋给变量a:
int a = 32;
a = a >> 2; // a now contains 8

当值中的某些位被“移出”时，这些位的值将丢弃。例如，下面的程序片段将35右移2 次，它的2个低位被移出丢弃，也将结果8赋给变量a:
int a = 35;
a = a >> 2; // a still contains 8
用二进制表示该过程可以更清楚地看到程序的运行过程：
00100011 35
>> 2
00001000 8 

 


将值每右移一次，就相当于将该值除以2并且舍弃了余数。你可以利用这个特点将一个整数进行快速的2的除法。当然，你一定要确保你不会将该数原有的任何一位移出。
右 移时，被移走的最高位（最左边的位）由原来最高位的数字补充。例如，如果要移走的值为负数，每一次右移都在左边补1，如果要移走的值为正数，每一次右移都 在左边补0，这叫做符号位扩展（保留符号位）（sign extension ），在进行右移操作时用来保持负数的符号。例如，–8 >> 1 是–4，用二进制表示如下：
11111000 –8 >>1 11111100 –4

一个要注意的有趣问题是，由于符号位扩展（保留符号位）每次都会在高位补1，因此-1右移的结果总是–1。有时你不希望在右移时保留符号。例如， 下面的例子将一个byte 型的值转换为用十六进制表示。注意右移后的值与0x0f进行按位与运算，这样可以舍弃任何的符号位扩展，以便得到的值可以作为定义数组的下标，从而得到对 应数组元素代表的十六进制字符。

// Masking sign extension.
class HexByte {
static public void main(String args[]) {

char hex[] = {
’0’, ’1’, ’2’, ’3’, ’4’, ’5’, ’6’, ’7’,
’8’, ’9’, ’a’, ’b’, ’c’, ’d’, ’e’, ’f’’
};
byte b = (byte) 0xf1;
System.out.println("b = 0x" + hex[(b >> 4) & 0x0f] + hex[b & 0x0f]);

}

}

该程序的输出如下：

b = 0xf1 

 



无符号右移
正 如上面刚刚看到的，每一次右移，>>运算符总是自动地用它的先前最高位的内容补它的最高位。这样做保留了原值的符号。但有时这并不是我们想要 的。例如，如果你进行移位操作的运算数不是数字值，你就不希望进行符号位扩展（保留符号位）。当你处理像素值或图形时，这种情况是相当普遍的。在这种情况 下，不管运算数的初值是什么，你希望移位后总是在高位（最左边）补0。这就是人们所说的无符号移动（unsigned shift ）。这时你可以使用Java 的无符号右移运算符>>> ，它总是在左边补0。

下面的程序段说明了无符号右移运算符>>> 。在本例中，变量a被赋值为-1，用二进制表示就是32位全是1。这个值然后被无符号右移24位，当然它忽略了符号位扩展，在它的左边总是补0。这样得到的值255被赋给变量a。

int a = -1; a = a >>> 24;

下面用二进制形式进一步说明该操作：

11111111 11111111 11111111 11111111 int型-1的二进制代码>>> 24 无符号右移24位00000000 00000000 00000000 11111111 int型255的二进制代码
由 于无符号右移运算符>>> 只是对32位和64位的值有意义，所以它并不像你想象的那样有用。因为你要记住，在表达式中过小的值总是被自动扩大为int 型。这意味着符号位扩展和移动总是发生在32位而不是8位或16位。这样，对第7位以0开始的byte 型的值进行无符号移动是不可能的，因为在实际移动运算时，是对扩大后的32位值进行操作。下面的例子说明了这一点：

// Unsigned shifting a byte value.
class ByteUShift {
static public void main(String args[]) {
int b = 2;
int c = 3;


a |= 4;
b >>= 1;
c <<= 1;
a ^= c;
System.out.println("a = " + a);
System.out.println("b = " + b);
System.out.println("c = " + c);


}
}


该程序的输出如下所示：

a = 3
b = 1
c = 6

 


对于java移位运算的总结：

<!--[if !supportLists]-->1.      <!--[endif]-->对于左移运算，每左移一个位，高阶位都被移出（并且丢弃），并用0填充右边。这意味着当左移的运算数是int 类型时，每移动1位，它的第31位就要被移出并且丢弃；当左移的运算数是long 类型时，每移动1位它的第63位就要被移出并且丢弃。 

 

<!--[if !supportLists]-->2.      <!--[endif]-->左移都可以使原来的操作数翻倍，程序员们经常使用这个办法来进行快速的2 的乘法。但是你要小心，如果你将1移进高阶位（31或63位），那么该值将变为负值。 

 

<!--[if !supportLists]-->3.      <!--[endif]-->在对byte 和short类型的值进行移位运算时 , Java将自动把这些类型扩大为 int 型，而且，移位后的值也是int 型;如果左移不超过31位，原来对应各位的值不会丢弃。但是，如果你对一个负的byte 或者short类型的值进行移位运算，它被扩大为int 型后，它的符号也被扩展，结果的高位就会被1填充。因此，为了得到正确的结果，你就要舍弃得到结果的高位。这样做的最简单办法是将移位运算的结果再转换成 byte 型 。 

 

<!--[if !supportLists]-->4.      <!--[endif]-->每右移一次，就相当于将该值除以2并且舍弃了余数。你可以利用这个特点将一个整数进行快速的2的除法。当然，你 一定要确保你不会将该数原有的任何一位移出。 

 

<!--[if !supportLists]-->5.      <!--[endif]-->无符号右移（>>>）与右移的区别：

<!--[if !supportLists]-->（1）    <!--[endif]-->每一次右移，>>运算符总是自动地用它的先前最高位的内容补它的最高位。这样做保留了原值的符号

<!--[if !supportLists]-->（2）    <!--[endif]-->无符号移动总是在高位（最左边）补0。

<!--[if !supportLists]-->6.      <!--[endif]-->与C、C++不同,Java中没有无符号型整数,而且明确规定了整型和浮点型数据所占的内存字节数,这样就保证了安全性、鲁棒性和平台无关性。 

 

其他：

（1）BCD码（二到十进制编码）
人们通常习惯使用十进制数，而计算机内部多采用二进制表示和处理数值数据，因此在计算机输入和输出数据时，就要进行由十进制到二进制的转换处理。

把十进制数的每一位分别写成二进制形式的编码，称为二进制编码的十进制数，即二到十进制编码或BCD（Binary Coded Decimal）编码。

BCD码编码方法很多，通常采用8421编码，这种编码方法最自然简单。其方法使用四位二进制数表示一位十进制数，从左到右每一位对应的权分别是23、22、21、20，即8、4、2、1。例如十进制数1975的8421码可以这样得出

1975（D）=0001 1001 0111 0101（BCD）

用四位二进制表示一位十进制会多出6种状态，这些多余状态码称为BCD码中的非法码。BCD码与二进制之间的转换不是直接进行的，当需要将BCD 码转换成二进制码时，要先将BCD码转换成十进制码，然后再转换成二进制码；当需要将二进制转换成BCD码时，要先将二进制转换成十进制码，然后再转换成 BCD码。
（2）字符编码
在计算机中，对非数值的文字和其他符号进行处理时，首先要对其进行数字化处理，即用二进制编码来表示文字和符号。字符编码就是以二进制的数字来对 应字符集的字符，目前用得最普遍的字符集是ANSI，对应ANSI字符集的二进制编码就称为ANSI码，DOS和Windows系统都使用了ANSI码。 在输入过程中，系统自动将用户输入的各种数据按编码的类型转换成相应的二进制形式存入计算机存储单元中；在输出过程中，再由系统自动将二进制编码数据转换 成用户可以识别的数据格式输出给用户。

（3）ASCⅡ码
用七位二进制表示字符的一种编码，使用一个字节表示一个特殊的字符，字节高位为0或用于在数据传输时的校验。附表为标准的ASCⅡ码表。