关于Java按位取反“~”操作

前言

在分析一些jdk8的源码比如StampedLock的时候，发现有对long类型的变量进行“~”操作：

private static final long RBITS = 127;
private static final long SBITS = ~RBITS;

 上面的代码中，long型变量RBITS为127，通过对其进行“~”操作得到SBITS，通过Java编译器可以直接看到SBITS的值是-128，开始的时候我始终不明白这是怎样的一个演算过程，今天详细的记录在此。

 

按位取反

在说“~”操作即“按位取反”之前，需要注意它和平常所说的另一个概念“取反码”或者“反码”是不一样的，在Java中有原码，反码，补码之说，关于这三者有如下的转换规则：

（1）正数的原码，反码，补码完全一样，即符号位固定为0，数值位相同；

（2）负数的原码：最高位符号位为1，数值位表示其绝对值(其实就是和对应的正数相同)，

         负数的反码：原码符号位1固定不变，数值位的每一位二进制按位取反得到反码，

         负数的补码：反码符号位1固定不变，在反码数值位最低位加1。

 

根据（2）负数的原码求补码的过程：补码=原码取反+1，我们可以逆运算得出，根据负数的补码求原码的方式为：负数原码=补码-1，再取反。

 

 因此，对一个数进行“~”操作即“按位取反”，得到的肯定不是它的“反码”，因为正数的反码固定不变，负数的反码虽说的确是进行了按位取反，但是它会保持符号位1固定不变，按位取反连符号位都会进行取反。

 

另外，关于补码存在的意义：补码其实是二进制数在内存中存在的形式，即不论是正数还是负数在内存中都是以其补码的形式存放的，而不是源码。

 

接着说“~”操作即“按位取反”， 按位取反操作其实是对补码的操作，而非源码，所以在进行“~”操作之前需要先得到相应的补码。

 

示例

有了以上对“~”按位取反操作的相关的知识，现在再来进行对一个数进行按位取反操作就很明了了。

示例一、对最开始的long型变量127进行按位取反：

第一步：先得到补码。正数127的补码即为原码：0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000001111111 

第二步：补码按位取反：1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111110000000，这其实是对127按位取反之后在内存中的补码存放形式

为了知道这个按位取反的结果对应的十进制，我们需要通过补码求原码的公式，倒推得到原码之后才能知道对应的十进制是多少：

第三步：补码减1：

 

 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111110000000
-0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000001
--------------------------------------------------------------------
 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111101111111

    结果为1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111101111111

 

第四步：再根据补码减1的结果求反码得到对应的原码:  1000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000010000000，这就是-128的二进制原码

 

示例二、如果我们再对-128进行“~”操作结果会是多少？

第一步：“~”操作之前需要先得到-128的补码，负数的补码又需要先获得反码：

              -128原码为：1000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000010000000

              -128的反码：1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111101111111

              反码数值位+1得补码：1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111110000000

第二步：对-128的补码进行“~”按位取反操作结果为：

               0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000001111111，这就是对-128按位取反之后在内存中的补码存放形式

第三步：为了知道对应的十进制，需要由补码转换为原码，由于结果是一个正数(最高位符号位为0)，其原码和补码相同还是：

               0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000001111111，所以这就是对-128进行按位取反之后的原码，十进制为127.

 

故而：-128进行“~”操作结果127