深入理解位运算操作及使用场景

布满荆棘的人生 2022-03-25 17:35 209阅读 0赞

工作中一直没用过位操作，只有在阅读一些源码的时候会看到使用位运算符（因为直接使用位运算符效率更高），为了更好的阅读源码那就好好学习一下吧，顺便把学习的东西记下来。

位运算符大致就以下几种吧。

<table style="width:500px;">  
 <strong>位运算符</strong>  
 <thead> 
  <tr> 
   <th>名称</th> 
   <th>符号</th> 
   <th>用法</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>位求反</td> 
   <td>~</td> 
   <td>~expr&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>左移</td> 
   <td>&lt;&lt;</td> 
   <td>expr1 &lt;&lt; expr2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>右移</td> 
   <td>&gt;&gt;</td> 
   <td>expr1 &gt;&gt; expr2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>无符号右移</td> 
   <td>&gt;&gt;&gt;</td> 
   <td>expr1 &gt;&gt;&gt; expr2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>位与</td> 
   <td>&amp;</td> 
   <td>expr1 &amp; expr2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>位或</td> 
   <td>|</td> 
   <td>expr1 | expr2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>位异或</td> 
   <td>^</td> 
   <td>expr1 ^ expr2</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

所有的位运算都是在二进制下来进行运算的，再二进制下只有0/1。

## 1. ~ 位求反 ##

运算符规则是：将运算符后二进制数反转，0变1，1变 0，所以对一个数取反偶数次结果是它本身。

例如：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011     -> 3
    1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100     -> ~ 3 = -4

常用场景：

*  求相反数： ~a + 1

## 2. << 左移 ##

运算符规则是：各二进位全部左移若干位，高位丢弃，低位补0。

例如：6 << 2 = 24

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110     -> 6
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1000     -> 6 << 2 = 24

我们将6的二进位向左移动两位，低位补上两个0，高位丢弃，得出来的结果就是24。

常用场景：

*  左移常被用来做 \* (2 ^ n)的运算，因为直接基于二进制运算，所以左移效率比 \* (2 ^ n)高。

## 3. >> 右移 ##

运算符规则是：各二进位全部右移若干位，正数高位补0，负数高位补1，低位丢弃。

例如: 12 >> 2 = 3

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1100     -> 12
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011     -> 12 >> 2 = 3

因为12是正数，右移过程中高位补上两个0，低位丢弃，得出来的结果就是3。  
例如：-12 >> 2 = -3

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0100    -> -12
    1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1101    -> -12 >> 2 = -3

因为-12是负数，右移过程中高位补上两个1，低位丢弃，得出来的结果就是-3。

常用场景：

*  右移常被用来做 / (2 ^ n)的运算，因为直接基于二进制运算，所以右移效率比 / (2 ^ n)高。

## 4. >>> 无符号右移 ##

运算符规则是：各二进位全部右移若干位，高位补0，低位丢弃。

例如: 12 >>> 2 = 3

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1100     -> 12
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011     -> 12 >>> 2 = 3

我们将12的二进位向右移动两位，高位补上两个0，低位丢弃，得出来的结果就是24。  
例如：-12 >>> 2 = 1073741821

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0100    -> -12
    0011 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1101    -> -12 >> 2 = 1073741821

我们将-12的二进位向右移动两位，高位补上两个0，低位丢弃，得出来的结果就是1073741821。

## 5. & 位与 ##

运算符规则是：运算符两边有0，结果就为0 ，只有当两边同时为1是，结果才为1。

如下：

0 & 0 = 0；     0 & 1 = 0；     1 & 0 = 0；       1 & 1= 1；

例如：3&5

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011     -> 3
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101     -> 5
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001     -> 3 & 5 = 1

**位与运算的特殊用途：**

*  1.清零（将一个单元与0进行位与运算结果为零）
 *  2.取一个数指定位（例如取num=1010 1101的低四位 则将num&0xF得到0000 1101）。
 *  3.判断奇偶性：用if ((a & 1) == 0) 代替 if (a % 2 == 0)来判断a是不是偶数。

## 6. | 位或 ##

运算规则就是 运算符两边有1，结果就为1 ，只有当两边同时为0是，结果才为0。

如下：

0 | 0 = 0；  0 | 1 = 1；  1 | 0 = 1；   1 | 1 = 1 ；

例如:3|5

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011     -> 3
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101     -> 5
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111     -> 3 | 5 = 7

另，负数按补码形式参加按位或运算。

使用场景：

下面这个方法是摘自HashMap类，这个算法来修改用户使用构造器传进来的size的，这个算法是使用移位和或结合来实现的，性能上比循环判断要好。

public static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }

## 7. ^ 位异或 ##

运算规则是：当运算符两边相同位置都是相同，结果返回0，不相同时返回1。

例如：3 ^ 5 = 1

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011     -> 3
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101     -> 5
    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110     -> 3 ^ 5 = 6

通常我们交换两个数会使用一个临时变量来帮忙：

int t = a;
    a = b;
    b = t;

使用 ^ 位运算符（装逼必备）

a ^= b;
    b ^= a;
    a ^= b;