Java中的位運(yùn)算符

文本關(guān)鍵字：位運(yùn)算符、位邏輯運(yùn)算符、移位運(yùn)算符

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一、位運(yùn)算符

大家在接觸運(yùn)算符的時(shí)候通常都已經(jīng)學(xué)完了變量的使用，對(duì)于算術(shù)以及賦值運(yùn)算的感覺就是So easy!這不就是小學(xué)的知識(shí)嘛，對(duì)于邏輯運(yùn)算符的部分依然無壓力，這不就是中學(xué)的知識(shí)嘛？但是突然出現(xiàn)了一個(gè)位運(yùn)算符，啥是移位？啥是異或？接下來就先從簡(jiǎn)單的開始。
說起位運(yùn)算符，其實(shí)就是基于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的二進(jìn)制位進(jìn)行的運(yùn)算，更底層，所以效率更高。另外一個(gè)需要注意的問題就是：由于小數(shù)在進(jìn)行存儲(chǔ)的時(shí)候采用的是IEEE（符號(hào)、指數(shù)、尾數(shù)）方式，并不止對(duì)整數(shù)和小數(shù)部分直接轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制來存儲(chǔ)的，所以小數(shù)是不能使用位運(yùn)算符來操作的。對(duì)于整數(shù)和字符型的運(yùn)算符操作也有一些潛在的法則，相信看完這篇文章你很容易就會(huì)掌握。

二、邏輯運(yùn)算

在邏輯運(yùn)算中我們已經(jīng)使用過能夠表達(dá)邏輯意義的運(yùn)算符，如：&&，||，!。這些運(yùn)算符都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是：運(yùn)算符兩邊都是布爾值或布爾表達(dá)式，他們能夠操作的數(shù)據(jù)類型有限，只能夠幫我們進(jìn)行邏輯運(yùn)算。有些教材將&，|等位運(yùn)算符也歸為邏輯運(yùn)算符，因?yàn)榘次慌c（&）、按位或（|）能夠操作的數(shù)據(jù)類型較多，其中就包括布爾類型，并且也能夠幫助我們進(jìn)行邏輯運(yùn)算，但是小編還是建議按照符號(hào)本身的運(yùn)算方式和操作數(shù)據(jù)類型等來記憶。

1. 與（&）

• 與運(yùn)算

與運(yùn)算相當(dāng)于物理電路中的串聯(lián)電路，我們假設(shè)用1代表通路，用0代表斷路，那么對(duì)于串聯(lián)電路來說，只有當(dāng)運(yùn)算符兩邊全為1（通路）時(shí)，運(yùn)算結(jié)果才為1（通路）。

• 按位與

那么按位與就是將運(yùn)算符兩邊的數(shù)字轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后，在每?jī)蓚€(gè)對(duì)應(yīng)位置上的數(shù)字進(jìn)行與運(yùn)算，再將最后的結(jié)果按十進(jìn)制寫出就可以了。
24 & -30：
00000000 00000000 00000000 00011010 = 26
11111111 11111111 11111111 11100010 = -30
00000000 00000000 00000000 00000010 = 26 & -30 = 2

• 邏輯與的短路問題

當(dāng)我們?cè)谑褂眠壿嬇c（&&）時(shí)會(huì)遇到一個(gè)短路問題：當(dāng)用&&把多個(gè)布爾表達(dá)式連接起來的時(shí)候，為了以最快的速度得出結(jié)果，那么有些式子將不會(huì)執(zhí)行，被跳過的式子中的代碼也就不會(huì)被執(zhí)行。比如：(假式 && 真式 && 真式)，經(jīng)過前兩個(gè)式子的結(jié)果已經(jīng)能夠確定整個(gè)式子的結(jié)果：為假，第三個(gè)式子無論為真或假都不會(huì)影響最終結(jié)果，這個(gè)時(shí)候就會(huì)進(jìn)行跳過。
但是對(duì)于&（按位與），由于本質(zhì)上是一個(gè)位運(yùn)算，只不過同時(shí)也支持布爾類型的直接運(yùn)算而已，所以不會(huì)出現(xiàn)表達(dá)式不執(zhí)行的情況。

2. 或（|）

• 或運(yùn)算

或運(yùn)算相當(dāng)于物理電路中的并聯(lián)電路，我們假設(shè)用1代表通路，用0代表斷路，那么對(duì)于并聯(lián)電路來說，只要運(yùn)算符兩邊有一個(gè)為1（通路）時(shí)，運(yùn)算結(jié)果就為1（通路）。

• 按位或

那么按位或就是將運(yùn)算符兩邊的數(shù)字轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后，在每?jī)蓚€(gè)對(duì)應(yīng)位置上的數(shù)字進(jìn)行或運(yùn)算，再將最后的結(jié)果按十進(jìn)制寫出就可以了。
26 | -30：
00000000 00000000 00000000 00011010 = 26
11111111 11111111 11111111 11100010 = -30
11111111 11111111 11111111 11111010 = 26 | -30 = -6

• 邏輯或的短路問題

當(dāng)我們?cè)谑褂眠壿嫽颍▅|）時(shí)會(huì)遇到一個(gè)短路問題：當(dāng)用||把多個(gè)布爾表達(dá)式連接起來的時(shí)候，為了以最快的速度得出結(jié)果，那么有些式子將不會(huì)執(zhí)行，被跳過的式子中的代碼也就不會(huì)被執(zhí)行。比如：(真式 || 假式 && 假式)，經(jīng)過前兩個(gè)式子的結(jié)果已經(jīng)能夠確定整個(gè)式子的結(jié)果：為真，第三個(gè)式子無論為真或假都不會(huì)影響最終結(jié)果，這個(gè)時(shí)候就會(huì)進(jìn)行跳過。
但是對(duì)于|（按位與），與按位或相同，是一個(gè)位運(yùn)算符，不會(huì)出現(xiàn)跳過的情況。

3. 取反（~）

• 運(yùn)算規(guī)則

取反運(yùn)算的規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單，同樣是在二進(jìn)制位上的運(yùn)算，那么遇到0變?yōu)?，遇到1變?yōu)?。

• 實(shí)用公式

對(duì)于一個(gè)數(shù)n的取反可以按照公式快讀得出結(jié)果：~n = -n - 1

4. 異或（^）

• 運(yùn)算規(guī)則：

其實(shí)異或的運(yùn)算規(guī)則很好記，對(duì)對(duì)碰原則，兩個(gè)數(shù)相同為0，不同為1，如下表：

• 運(yùn)算律：
  • a ^ a = 0
  • 交換律：a ^ b = b ^ a
  • 結(jié)合律：a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c
  • a ^ b ^ a = b
• 兩數(shù)交換的用法：

如果我們需要將兩個(gè)數(shù)交換，一般都需要引入第三個(gè)變量，作為中間變量或進(jìn)行運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。其實(shí)，我們還可以利用異或運(yùn)算的規(guī)律來實(shí)現(xiàn)：不借助第三個(gè)變量來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的交換。
a = a ^ b;
b = a ^ b; -> 使用交換律：b = (a ^ b) ^ b = (b ^ a) ^ b = a
a = a ^ b; -> 此時(shí)b的值為a，a的值為：(a ^ b) -> a = (a ^ b) ^ a = b
特別注意：雖然異或可以用于兩個(gè)數(shù)的交換，但是由于異或有一個(gè)特別的性質(zhì)，即a ^ a = 0，所以當(dāng)兩個(gè)數(shù)相等時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)數(shù)都變?yōu)?

三、移位運(yùn)算

特別注意：對(duì)于位移運(yùn)算不能直接和除法的結(jié)果等同，在負(fù)數(shù)時(shí)將不相等

1. 左移（<<）

將一個(gè)整數(shù)的二進(jìn)制位向左平移指定的位數(shù)，由于是左移就相當(dāng)于是擴(kuò)大了數(shù)值，并且每移動(dòng)一位，相當(dāng)于擴(kuò)大了二倍。

• 移出的高位將被丟棄
• 右側(cè)補(bǔ)零

由于正數(shù)的高位都是0，負(fù)數(shù)的高位都是1，所以在一定的范圍內(nèi)，經(jīng)過向左移位不會(huì)改變數(shù)字的正負(fù)。但如果超出了一定的范圍，將會(huì)改變數(shù)字的正負(fù)，并且會(huì)充滿隨機(jī)性，正負(fù)性將取決于最高位（符號(hào)位）的數(shù)值。
-7 << 2 = -28
-7 << 30 = 1073741824

2. 右移（>>）

將一個(gè)整數(shù)的二進(jìn)制位向右平移指定的位數(shù)，由于是右移就相當(dāng)于是縮小了數(shù)值，并且每移動(dòng)一位，相當(dāng)于縮小了二倍。

• 移出的低位將被丟棄
• 若為正數(shù)，高位補(bǔ)0
• 若為負(fù)數(shù)，高位補(bǔ)1

由于符號(hào)位在高位的部分，并且在移動(dòng)的過程中的補(bǔ)位也是根據(jù)正負(fù)的規(guī)則在補(bǔ)，所以右移不會(huì)改變正負(fù)。

3. 無符號(hào)右移（>>>）

無符號(hào)右移的計(jì)算規(guī)則與右移相同，區(qū)別在于，不會(huì)進(jìn)行正負(fù)的區(qū)分，高位一律用0補(bǔ)位。如果原數(shù)是一個(gè)負(fù)數(shù)，則可能直接得到一個(gè)非常大的正數(shù)。

• -27 >> 2 = -7
• -27 >>> 2 = 1073741817

  四、運(yùn)算規(guī)則

  1. 運(yùn)算符兩邊精度不一致

• 需要先進(jìn)行精度的統(tǒng)一，即以高精度為準(zhǔn)，低精度的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)位
  • 正數(shù)高位補(bǔ)0
  • 負(fù)數(shù)高位補(bǔ)1

    2. 移位運(yùn)算規(guī)則

• 移動(dòng)的位數(shù)不應(yīng)該超過該數(shù)字對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)
  • 得到的結(jié)果無數(shù)學(xué)意義
  • 會(huì)得到一些極端值結(jié)果