深入Java中的位操作讲解「WTF系列」 转载

　　今天我们介绍一下，「WTF系列」深入Java中的位操作，关于WTF系列，学完本章节你将学会位的基础概念与语法，并且还会一些骚操作!!

　　开始本章节之前，我们先思考一个问题：

　　若我们输出a、b的二进制字符串是多少?

　　答案是这样的么?

　　当然同学们可能会觉得我既然问了就肯定不是这样;是吧～别着急你们试试就知道了。

　　在javascript中输出一个值对应的二进制方法有很多，这里提供一个简单的方法：

　　基本原则

　　在Java中是采用的有符号的运算方式，故：高位为符号位，其java案例余位存储数据信息。

　　简单来说：

　　因为byte占8位，所以有效数据存储7位，最高位为符号位。JavaSE, int值则是31位存储数据。

　　0 代表正数

　　1 代表负数

　　二进制的计算规则是：逢2进1

　　这个很好理解，因为表示的数字就是：0、1两个数字，java实战项目，想要表示更大的值就只能往前递增进步。

　　在平时生活中是逢10进1;因为咱们有10个数字：9、8、7、6、5、4、3、2、1、0;所以11就是：当为0|9增加为10的时候就进一格所以变成：1|0，个位再把剩余的1补上就是：1|1;所以就是11。

　　那么：

　　运算法则

　　设

　　按位异或 a^b

　　按位取反(非)

　　  按位取反(非)

　　左移

　　右移(带符号)

　　右移(无符号)

　　这里需要HTML5注意的是其左边补充的值永远为0，不管其最高位(符号位)的值。

　　进制表示规范

　　这个小节是插曲，部分同学可能注意到上面写的进制定义是：0b01011000，部分同学 可能疑惑为什么不是 0x 之类的。

　　前缀

　　十进制：直接写数字即可

　　二进制：0b或0B开头;如：0b01011000 代表十进制 88

　　八进制：0 开头;如：0130 代表十进制 88 (1x64+3x8)

　　十六进制：0x或0X开头;如：0x58 代表 88 (5x16+8)

　　后缀

　　0x?? 若小于127 则按byte算，大于则按int类型算

　　0xFF默认为int类型

　　若声明为long添加后缀：L或l：如：0xFFL 或 0xFFl

　　带小数的值默认为double类型;如：0.1

　　若声明为float添加后缀：f 或 F：如：0.1F

　　若声明为double添加后缀：d或D：如：1D

　　范围

　　二进制：1、0

　　八进制：0～7

　　十进制：0～9

　　十六进制：0～9 + A～F

　　类型转换

　　在上述运算法则中：两个不同长度的数据进行位运算时，系统会将二者按右端对齐左端补齐，然后进行位运算。

　　设

　　a 为 int 占32位

　　b 为 byte 占8位

　　执行： a&b 、a|b 、a^b….等操作时：

　　若b为正数，则左边补齐24个0

　　若b为负数，则左边补齐24个1

　　若b = 0b01011000 补齐后：0b 00000000 00000000 00000000 01011000

　　若b = (byte) 0b10101000 补齐后：0b 11111111 11111111 11111111 10101000

　　原码、反码、补码

　　相信看了上面那么多的各种规定后，大家有一定的疑问，为什么正数与负数与大家所想的不大一样呢?

　　我相信大家觉得正数负数就是这样的：

　　0b10101000 ： -(64+16+8) ??WTF?? 除了符号位能懂以外请你告诉我是怎么得出 64、16、8的?

　　在这里我们先设两个基本的概念：

　　原码：人所能直接理解的编码

　　机器码：计算机能直接理解的编码

　　允许我先说一个小故事：对于在坐的各位来说计算1-1是非常简单的，但是对于计算机来说就是计算：00000001 与 10000001 (暂且按8位，原码)。

　　计算机需要识别出橙色部分的符号位，然后提取出粉色部分的数据进行计算;这里有两个问题：

　　识别橙色符号位是困难的

　　若橙色部分是负数则需要增加减法计算模块

　　但对于计算机来说做加法就够了，将1-1换算为：1+(-1);OK这一步就是将所有的减法都换算为加法进行计算，减少了减法硬件模块的设计，提升了计算机的硬件利用率。

　　但是这里就有一个问题了，既然是将-1当作了一个值来进行运算，那么必然这个值需要方便做加法才行;按上图来说我们必不可免的需要去做一次符号位的判断，然后再做数据位的减法操作，简单来说还是在做减法。

　　正数的反码是其本身

　　负数的反码是在其原码的基础上, 符号位不变，其余各个位取反。可以简单理解为 "~a | 10000000"

　　[+1] = [00000001]原 = [00000001]反

　　[-1] = [10000001]原 = [11111110]反

　　如上图分布式任务调度，咱们将 -1 的原码转化为了反码;此时我们使用 反[+1] + 反[-1] 进行一次运算：

　　此时咱们可以得到一个值x，这个值可以确定的是符号位为1，为负数，后面数据位全部为1;因为此时是反码状态，所以要想我们能直接读取数据是不是应该转化为原码状态啊。

　　// 反码转原码流程就是倒过来，符号位不变，其余位为取反即可。

　　1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原 + [10000001]原= [00000001]反 + [11111110]反 = [11111111]反 = [10000000]原 = -0

　　可以看出我们已经解决好了运算的问题了，计算机只需要按照反码的方式去计算即可，只需要做加法，不需要做减法就可以运算减法流程。计算完成后对于人脑来说需要将反码转化为原码就是可读的数据了。

　　但上述也暴露一个问题：-0 的问题;对于0的表示将会出现两种情况：

　　[11111111]反 = [10000000]原 = -0

　　[01111111]反 = [00000000]原 = +0

　　也就是出现两种为0的表示值，-0与+0;但对于我们来说0就是0，不需要做区分。所以又引入了补码。

　　补码

　　正数与反码规则一样无需变化：补码=反码=原码

　　负数在反码基础上保证符号位不变，从右端+1

　　[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

　　[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

　　此时若计算机使用补码直接进行计算会怎样?

　　当我们使用补码计算时，因为末尾的两位均为1，1+1 = 2;对于二进制来说满2进1，所以往前进位1，进位后又遇到 1+1 = 2的情形，所以依次进位，当前位置0。

　　最终计算后就是：1 00000000 ，一共9位，因为当前只有8位，所以自然就只剩下：00000000 。

　　请注意：在当前运算过程中符号位并无差别也直接当作普通值进行步进运算!

　　如此我们就完成了整个流程的运算，但你还需注意的是，当前运算后的值是补码，也就是机器直接操作的编码;如果要还原为我们可读的值需要反向转化为原码。由最初定义可知，正数：原码=补码;上述补码为正数，所以原码也是：00000000。整个流程如下：

　　// 补码计算流程

　　1 - 1 = 1 + (-1)

　　= [00000001]原 + [10000001]原

　　= [00000001]反 + [11111110]反

　　= [00000001]补 + [11111111]补

　　= [00000000]补

　　= [00000000]原

　　= 0

　　补码->原码

　　正数的补码就是原码

　　负数：

　　直接倒叙流程，保证符号位不变右端减1，再保证符号位不变其余位取反即可

　　再走一遍补码流程;补码的补码就是原码(先取反再+1即可)【敲黑板】

　　思考[10000000]代表什么?

　　若是某个计算完成后的补码值为：10000000 那么他对应的值是什么呢?

　　// 按方案1来看：

　　[10000000]补 = [11111111]反 = [10000000]原

　　// 按方案2来看：

　　[10000000]补 = [11111111]补反 = [10000000]补补 = [10000000]原

　　可见方案1、方案2都是一样的，补码的补码就是原码。

　　[10000000]原 = 是等于0呢?还是-0呢?还是-128呢?

　　因为我们已经规定了：[00000000]原 = 0;为了充分利用位的存储区间，所以将：[10000000]原 = -128

　　一般情况下不会对[10000000]补码求原码，因为也没啥意义～

　　思考(127、-127)原码、反码、补码是多少?

　　对于正数：

　　127 = [01111111]原 = [01111111]反 = [01111111]补

　　对于负数：

　　-127 = [11111111]原 = [10000000]反 = [10000001]补

　　对于计算机来说，其存储的值都是补码，所以也就造成了一开始我们提到的问题：为什么88与-88的二进制并不只是符号位不同?

　　再次强调：计算机存储的是补码，为了方便运算;我们想要理解其表示的值需要转化为原码。

　　溢出问题

　　存储区间

　　默认的对于采用补码的计算机系统而言，其存储值的有效范围是：-2^(n-1) ~ 2^(n-1) -1 ;n代表当前的位数。

　　byte，1字节，8位：-2^7 ~ 2^7 -1 = -128~127

　　short，2字节，16位：-2^15 ~ 2^15 -1 = -32768 ～ 32767

　　int，4字节，32位：2^31 ~ 2^31 -1

　　......

　　若，我想在byte中存储超过127的值会怎样?

　　设：

　　int i = 200

　　对应补码为： 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1100 1000

　　因200未超256(2^8)所以依然只会使用到8个位

　　当我们将200强转为byte时高位丢弃仅剩下低8位：1100 1000

　　如果我们对byte进行输出会怎样?

　　首先其直接调用的是：public void println(int x) 方法，OK，既然是int输出为啥不是200?而是-56?

　　就算有这样的方法：public void println(byte x) 方法，会输出200么?也不会!!

　　首先对于byte b来说：1100 1000 这是一个负数的补码，其原码流程是：

　　这里有一个有趣的事情，int转byte时是直接丢掉高位的所有数据：24个0;但byte转int时，补充高24位时是根据当前的符号位来补充的，若当前符号位是1则添1，若符号位是0则添0;对于byte来说第一位就是符号位，当前的1100 1000符号位是**“1”**所以添加的就是24位1。

　　若直接打印的是byte值，大数据教程就是-56;上面我们分析1100 1000的原码时就已经证明了。那么打印c是不是呢?

　　对于范围较少的类型转换位大类型时不会丢失数据，原来是什么就是什么。

　　OK，就算不是上面那句话，我们来看看：

　　若我们转换为int时想要还原最初的200这个值该如何办?

　　分析上面的补码，可以看出其与最初的补码差异仅仅在于左边24位的不同：

　　那么我们只需要将前面的24位重置为0即可，flink案例这里就有一个与操作的简单用法：

　　在这里我们做了一次特殊的：b & 0xFF 操作，b 转换为int之后的值与 0xFF 进行按位与操作。

　　0xFF = 255 其int原码为：0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111，恰好最后8位为1，其余24位为0;所以可以用来做高位擦除操作。

　　这样的用法可用以存储超范围的数据，比如对于文件的大小来说永远都是 >= 0，不可能会使用到 < 0 的值，所以对于原始的我们可以根据这个，使用较少的byte表示更多的区间，简单来说就是无符号。将符号位也用以存储数据。

　　若没有做 & 0xFF 操作，其值应是：

　　65376 本质来说超过了short的存储范围：-32768~32767 ，但其在int中依然只需占2个字节16位：65376<65536。所以我们只需要使用2个byte即可存储，而不需要int的4个byte来存储。

　　在Socket传输中使用这样的方式能有效降低传输的字节冗余。

　　案例-多Flag存储在一个byte中

　　有这样一个情形：一个四边形，四条边可以是虚线也可以是实线，四条边相互独立;定义为 a\\b\\c\\d 四边;此时我们需要在画布上画出这个四边形;但是因为4边相互独立，所以我们常见的就是定义4个bool值：

　　简单来说我们定义这样的方式其一比较麻烦，其二总占用的内存空间至少是4个byte，也有可能是16byte(按int存的情况)。

　　但是我们表示的内容无非就是2种：实线、虚线

　　所以我们Java编程基础可以这样做：

　　定义a、b、c、d为static，并且使用最后的4位即可。

　　若我们想要改变a边的实虚：

　　通过该方法，若a边为实线，则将a flag的值填入x中，反之擦除掉x中的a边信息;同时保证其他信息不变。

　　若要拿，也就是判断a是否为实线该如何办?

　　2种写法都是OK的，不过需要注意若对应的a使用了符号位则需要使用0xFF先清理自动补充的符号位。因为与、或、非等操作默认会将参数转化为int类型进行;所以会出现自动补充符号位的情况。

　　这样的操作方案在Android或Socket传输中都是非常常见的，比如Socket NIO中的SelectorKey中的ops变量就是这样的机制;这能有效减少存储多个参数的情况;并且位操作并不会带来多少计算负担。

　　今天的内容就到这边，以上就是关于Java 位操作的常见疑问与原理的讲解，其实还有一些深入的东西，比如：同余、负数取模、小数、规律运算等;这些因为使用较少并且篇幅有限就等下期再给大家一一介绍了。

       出处：Qiujuer