WTF系列深入Java中的位操作

「WTF系列」深入Java中的位操作「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！！与、或、非、位移原码、反码、补码字节、位、超区间......开始本章节之前，我们先思考一个问题：bytea=33;by
teb=-3;若我们输出a、b的二进制字符串是多少？答案是这样的么？a->//00100001b->//10100001
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Java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：intvalue=33;Stringbs=String.format("%32s",Integer.
toBinaryString(value)).replace("","0");在方法中是int值，int占4字节32位，所以是
：“%32s”?若是byte将32改成8即可；当然对于byte你还需要加上“&0xFF”来做高位清零操作。Stringb
s=String.format("%8s",Integer.toBinaryString(value&0xFF)).repl
ace("","0");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，其余位存储数据信息。简单来说：+1-
>//00000001-1->//10000001默认例子中的值都按byte来算，占8位，减少大家的记忆负担。因为byte占
8位，所以有效数据存储7位，最高位为符号位。int值则是31位存储数据。0代表正数1代表负数上述的-1的表示方法其实并不是机器
码，而是人脑的理解方式。我们认为+1与-1的差异就是高位不同而已，这是我们基于自然规律来看的；而机器真正存储的值其实是：11111
111；这里其实就给大家提到了最初的问题。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，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。www.letaoqpyx.co
m那么：1就是：0|0|0|0|0|0|0|12就是：0|0|0|0|0|0|1|03就是：0|0|0|0|0|0|1|14就
是：0|0|0|0|0|1|0|0运算法则设bytea=(byte)0b01011000;//88byteb=
(byte)0b10101000;//-88intn=1;按位与a&b输入2个参数a、b对应位都为1时，c对
应位为1；反之为0。按位或a|b输入2个参数a、b对应位只要有一个为1，c对应位就为1；反之为0。按位异或a^b输入2
个参数a、b对应位只要不同，则c对应位就为1；反之为0。按位取反(非)输入1个参数c对应位与输入参数a完全相反；a对应位为1，则c
对应位就为0；a对应位为0，则c对应位就为1。左移输入1个参数a；n=1a对应位全部左移动n位得到c；a最左边的n个位全部丢弃
（红色框），c最右边n个位补充0（绿色框）。右移（带符号）输入1个参数b；n=1这里将参数换为b是因为b为负数，第一个位为1b
对应位全部右移动n位得到c；b最右边n个位全部丢掉（红色框），c最左边n个位补充1（绿色框）。这里需要注意的是其左边补充的值取决于
b的最高位也就是符号位：符号位是1则补充1，符号位是0则补充0。右移（无符号）输入1个参数b；n=1这里将参数换为b是因为b为
负数，第一个位为1b对应位全部右移动n位得到c；b最右边n个位全部丢掉（红色框），c最左边n个位补充0（绿色框）。这里需要注意的是
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：0b0101
1000，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3
2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2
4个1若b=0b01011000补齐后：0b00000000000000000000000001011000若b=
(byte)0b10101000补齐后：0b11111111111111111111111110101000为什么
b=0b10101000需要加上(byte)强转？因为默认的0b10101000会被理解为：0b0000000000
0000000000000010101000，这个值是一个超byte范围的int值（正数）：168。当强转byte后高位丢
弃，保留低8位，对于byte来说低8中的高位就是符号位；所以运算后就是：-88（byte）。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：//错误的理解//0b0
1011000->88：(64+16+8)//0b11011000->-88：-(64+16+8)大家可能会想
，正数与负数不就应该只是差符号位的变化么？//正确的理解//0b01011000->88：(64+16+8)//0
b10101000->-88：-(64+16+8)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10000
001（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。所以若计算机的机器码直接采用原码则会导致硬件资源的设计问题。有没有一种办法将符号位直接存储到整个结构中，让计算机在计算过程中
不去管所谓的符号位与数据位？有的！就是反码。反码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]=[1000
0001]原=[11111110]反如上图，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=[111111
11]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=[000
00000]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=[000
00001]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：100000000?，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：[10000
000]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。溢出问题因为计算机计算过程中不再区别符号位，直接将符号位也
纳入运算流程中；所以也就可以解释2个基础问题：（溢出）两个正数相加为负数两个负数相加为正数大家可以分析一下：88+100(-66)
+(-88)上述计算在byte变量范围下进行计算，尝试分析一下补码的计算流程。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=-128~127short，2字节，16位：-2^15~2^15-1=-32768～32767int，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：inti=200对应补码
为：00000000000000000000000011001000因200未超256（2^8）所以依然只会使用到
8个位inti=200;//00000000000000000000000011001000(200)b
yteb=(byte)200;//11001000当我们将200强转为byte时高位丢弃仅剩下低8位：110010
00如果我们对byte进行输出会怎样？System.out.println(b);//"-56"首先其直接调用的是：publi
cvoidprintln(intx)?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
voidprintln(bytex)?方法，会输出200么？也不会！！首先对于byteb来说：11001000?这是一个
负数的补码，其原码流程是：[11001000]补=[10110111]=[10111000]原=-(32+16+
8)=-56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11001000符
号位是“1”所以添加的就是24位1。intc=b;//b->11001000//c->111111
11111111111111111111001000若直接打印的是byte值，就是-56；上面我们分析1100100
0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：[11111111111111111111111111001000]补=[100000000
00000000000000000110111]=[100000000000000000000000001
11000]原=-(32+16+8)=-56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：[11111111111111111111111111001000]补
=-56[00000000000000000000000011001000]补=200那么我们只需要将前面的
24位重置为0即可，这里就有一个与操作的简单用法：/11111111111111111111111111
001000(theint)&www.77884.net00000000000000000000000
011111111(the0xFF)=======================================
00000000000000000000000011001000(200)/System.out.prin
tln(b&0xFF);//"200"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0xF
F进行按位与操作。0xFF=255其int原码为：00000000000000000000000011111
111，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。inti=0xFF60;//65376System.out.println(i);//000
00000000000001111111101100000System.out.println(String.format("%3
2s",Integer.toBinaryString(i)).replace("","0"));byteb1=(byt
e)i;byteb2=(byte)(i>>8);//01100000System.out.println(St
ring.format("%8s",Integer.toBinaryString(b1&0xFF)).replace(""
,"0"));//11111111System.out.println(String.format("%8s",Intege
r.toBinaryString(b2&0xFF)).replace("","0"));intret=(b1&0
xFF)|(b2&0xFF)<<8;System.out.println(String.format("%32s",
Integer.toBinaryString(ret)).replace("","0"));//65376System.ou
t.println(ret);若没有做?&0xFF?操作，其值应是：/00000000000000000000
000001100000(b1)|11111111111111111111111100000000
(b2<<8)=======================================1111111111
1111111111111101100000(-160)/System.out.println(b1|b2<
<8);//"-160"www.jiekeqipai.net65376本质来说超过了short的存储范围：-32768~3
2767，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：booleana=true;booleanb=false;b
ooleanc=false;booleand=true;voidchangeA(booleanfullLine)
{a=fullLine;}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16by
te（按int存的情况）。但是我们表示的内容无非就是2种：实线、虚线所以我们可以这样做：staticbytea=0b000
00001;staticbyteb=0b00000010;staticbytec=0b00000100;stati
cbyted=0b00001000;bytex=0b00000000;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：voidchangeA(booleanfullLine){if(fullLine){x=(byte)(x|a);}else{x=(byte)(x&~a);}}通过该方法，若a边为实线，则将aflag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？booleanisFullLine(){//return(x&a)!=0;return(x&a)==a;}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SocketNIO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。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。