深入学习java位运算的基础知识

Z时代
2024-01-10
分类：综合

相信大家和我一样，接触java这门语言的时候就听过java位运算的鼎鼎大名，当然也仅限于听说过。日常开发过程中使用过么？使用位运算的好处是什么？

想要真正理解java位运算，首先要搞清楚，这个“位”代表的含义。

一切的起源：二进制

位：二进制位，简称“位”。是二进制记数系统中表示小于2的整数的符号，一般用1或 0表示，是具有相等概率的两种状态中的一种。二进制位的位数可表示一个机器字的字长，一个二进制位包含的信息量称为一比特（bit）。

举个栗子：
int占4个字节（byte）
1byte = 8bit
换算下来，一个int类型即占32bit
int i = 88; 这里的88为十进制，转换为二进制为：1011000，使用完整的32位表示即为：00000000 00000000 00000000 01011000

上文中的00000000 00000000 00000000

01011000即为十进制88转为二进制的原码，与其相关的定义还有反码和补码

关于原码、反码和补码

在计算机内，有符号数有三种表示法：原码、反码以及补码。
原码：就是二进制定点表示法，即最高位为符号位，“0”正负“1”，其余位表示数值的大小。
反码：正数的反码与其原码相同；负数的反码是对正数逐位取反，符号位保持为1。
补码：正数的补码与其原码相同；负数的补码是在其反码的末位加1。

同样的，我们使用 “88” 举例说明原码、反码以及补码。

“88”的原码：00000000 00000000 00000000 01011000

“88”的反码：00000000 00000000 00000000 01011000

“88”的补码：00000000 00000000 00000000 01011000

对于负数 “-88”，其原码、反码以及补码如下：

“-88”的原码：10000000 00000000 00000000 01011000

“-88”的反码：11111111 11111111 11111111 10100111

“-88”的补码：11111111 11111111 11111111 10101000

为什么要使用补码？

简单来说，就是计算机计算减法时有各种不方便，于是发明了反码，结果发现反码也有缺陷（有两个零存在：“+0”和“-0”），进而发明了补码解决这个问题。

在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。原因在于，使用补码，可以将符号位和数值域统一处理；同时，加法和减法也可以统一处理。此外，补码与原码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

有关补码的意义及作用在上面的链接里讨论的非常详尽，我这里就不班门弄斧了，理解就好～

对原码、反码以及补码有一个初步的认知后，我们接下来再看位运算就会清晰很多。

关于位运算

关于位运算，这里运用哲学上三个究极问题试图讲解清楚位运算究竟是何方神圣：什么是位运算？位运算的作用？位运算有什么优势？

什么是位运算

程序中的所有数在计算机内存中都是以二进制的形式储存的。位运算就是直接对整数在内存中的二进制位进行操作。比如，and运算本来是一个逻辑运算符，但整数与整数之间也可以进行and运算。举个例子，6的二进制是110，11的二进制是1011，那么6 and 11的结果就是2，它是二进制对应位进行逻辑运算的结果（0表示False，1表示True，空位都当0处理）。

下表列出了位运算符的基本运算（A = 8, B = 9）

操作符	描述	例子
按位与&	如果相对应位都是1，则结果为1，否则为0	A&B=8，即1000
按位或\|	如果相对应位都是0，则结果为0，否则为1	A\|B=9，即1001
按位异或^	如果相对应位值相同，则结果为0，否则为1	A^B=1，即0001
按位取反~	按位取反运算符翻转操作数的每一位，即0变成1，1变成0	~A=7，即0111
左移 <<	按位左移运算符。左操作数按位左移右操作数指定的位数	A << 2 = 32，即1000 00
右移 >>	按位右移运算符。左操作数按位右移右操作数指定的位数	A >> 2 = 2，即0010

位运算的作用及优势

我尝试脱离实际应用场景描述清楚位运算的作用及优势，然后发现脱离实际讲应用是件非常困难的事情，其难度不亚于买彩票。所以这里结合Android原码中的MeasureSpec类来描述位运算的作用和优势。

熟悉Android View体系的小伙伴应该都对MeasureSpec不陌生。不熟悉的请自行Google，不然下面你看起来可能就会有些云里雾里。我们来看它的代码：


public static class MeasureSpec {
private static final int MODE_SHIFT = 30;
private static final int MODE_MASK = 0x3 << MODE_SHIFT;
public static final int UNSPECIFIED = 0 << MODE_SHIFT;
public static final int EXACTLY = 1 << MODE_SHIFT;
public static final int AT_MOST = 2 << MODE_SHIFT;
public static int makeMeasureSpec(int size, int mode) {
if (sUseBrokenMakeMeasureSpec) {
return size + mode;
} else {
return (size & ~MODE_MASK) | (mode & MODE_MASK);
}
}
public static int getMode(int measureSpec) {
return (measureSpec & MODE_MASK);
}
public static int getSize(int measureSpec) {
return (measureSpec & ~MODE_MASK);
}
}

代码不难理解，上面就运用了很多位运算。我们都知道MeasureSpec是用来操作View的测量模式以及测量大小的。这个测量模式和测量大小在系统中使用一个32位的int类型的参数表示。如果让我们自己去实现这样一个操作测量模式和测量大小的类，我们大概会这么写：


public class MeasureSpec{
public static final int UNSPECIFIED = 0;
public static final int EXACTLY = 1;
public static final int AT_MOST = 2;
/**
* 测量模式
*/
private int mode;
/**
* 测量大小
*/
private int size;
public int getMode() {
return mode;
}
public void setMode(int mode) {
this.mode = mode;
}
public int getSize() {
return size;
}
public void setSize(int size) {
this.size = size;
}
}