Java学习之旅第一季-19：运算符之位运算符-优快云博客

位（bitwise）运算就是按照数据转成二进制的表示形式进行计算，其执行效率非常高。按照运算的特点可以分为逻辑运算与移位运算。

Java中一共有 &、|、^、 ~、 <<、 >>、>>> 七个位运算符，除了 ~ ，其他6个运算符也可以与赋值运算符一起构成复合赋值运算符。

19.1 位运算符分类

位运算符可以分为逻辑运算符与移位运算符。

用于逻辑运算的位运算符有4个：&、|、^、 ~，它们的操作数是整型数值类型和字符类型，若对byte、short和char进行逻辑运算，它们会自动转换成int。除了 ~ ，其余三个操作数的操作数还可以是布尔类型。

&：与运算符，操作数可以是整数、字符或布尔类型
|：或运算，操作数可以是整数、字符或布尔类型
^：异或运算符，只要是不同的值，结果就是1；相同的值结构就是 0
~：非运算符，一元运算符，按位取反

用于移位运算的运算符有3个：<<、 >>、>>>，它们的操作数是整型数值类型和字符类型，若对byte、short和char进行逻辑运算，它们会自动转换成int。

<<：左移运算符，移位后在低位补0
>>：有符号右移运算符，移位时若值为正，则在高位插入0；若值为负，则在高位插入1
>>>：无符号右移运算符，无论正负，都在高位插入0

19.2 与运算符

与运算符（&）支持的操作数：

整数：只有两个位上都是1，结果才是1
字符：转换为对应的ASCII码，然后按照整数运算规则进行运算
布尔：结果与&&类似，只要参与运算的都是true，其运算结果才是true；否则运算结果是false。但是需要注意的是， &不支持短路的特点。

下面以 & 为例介绍位运算的计算规则，比如：

int num1 = 4 & 5;

表达式 4 & 5 的计算规则如下：

将 4 转换为 2 进制的表示：00000000 00000000 00000000 00000100

将 5 转换为 2 进制的表示：00000000 00000000 00000000 00000101

然后对应位置的二进制数（0和1）进行计算，只有两个数都是1，结果才是1，否则就是0。

为了方便阅读，我将 int 类型的二进制表示按照每 8 位空一格，一共是32位。下面的两个二进制数最后一位分别是 0 和 1，结果对应位置上即为 0，倒数第3位对应位置都是 1，结果对应位置结果即为 1，其余对应位置上都是 0，结果就是 0。

00000000 00000000 00000000 00000100
00000000 00000000 00000000 00000101
------------------------------------
00000000 00000000 00000000 00000100

所以最终的结果是：00000000 00000000 00000000 00000100，然后输出时转换为10进制的形式，即为4。

如果是负数，二进制表示稍有不同，涉及到补码的概念，比如 -2 & -4 的计算如下：

11111111 11111111 11111111 11111110
11111111 11111111 11111111 11111100
------------------------------------
11111111 11111111 11111111 11111100

最终的结果是：11111111 11111111 11111111 11111100，然后输出时转换为10进制的形式，即为 -4。

19.3 或运算符

或运算符（|）和与运算符支持的操作数类型是一样的：

整数：只要两个位上有一个是1，结果就是1
字符：转换为对应的ASCII码，然后按照整数运算规则进行运算
布尔：结果与||类似，只有参与运算的操作数有一个是true，其运算结果就是true；否则运算结果是false。但是需要注意的是， | 不支持短路的特点。

下面举一个例子：

int num1 = 4 | 5;

同样的，先将 4 和 5 转成 2 进制形式，然后按照其运算规则计算，结果再以10进制输出。

00000000 00000000 00000000 00000100
00000000 00000000 00000000 00000101
------------------------------------
00000000 00000000 00000000 00000101

经过计算结果是：00000000 00000000 00000000 00000101，转成10进制为 5.

19.4 异或运算符

异或运算符（^）和与运算符支持的操作数类型是一样的：

整数：只要是不同的值，结果就是1；相同的值结构就是 0
字符：转换为对应的ASCII码，然后按照整数运算规则进行运算
布尔：参与运算的操作数（都是true或都是false）相同，结果是false，不相同结果就是true。

示例：

System.out.println(4 ^ 5);

计算过程如下：

00000000 00000000 00000000 00000100
00000000 00000000 00000000 00000101
------------------------------------
00000000 00000000 00000000 00000001

最后结果是：00000000 00000000 00000000 00000001，即为 1。

如果是布尔类型数据进行异或运算：

System.out.println(true ^ true);     // false
System.out.println(true ^ false);    // true
System.out.println(false ^ true);    // true
System.out.println(false ^ false);   // false

19.5 非运算符

非运算符（~）支持的操作数：

整数：转换为二进制表示后，按位进行取反操作，即 1 变 0 ，0 变 1
字符：转换为对应的ASCII码，然后按照整数运算规则进行运算

比如：

System.out.println(~4);

计算过程如下：

00000000 00000000 00000000 00000100
------------------------------------
11111111 11111111 11111111 11111011

最后结果是：11111111 11111111 11111111 11111011，即为 -5。

19.6 左移运算符

左移运算符（<<）支持的操作数：

整数：左移运算，在低位补0
字符：转换为对应的ASCII码，然后按照整数运算规则进行运算

示例：

System.out.println(4 << 2);

计算过程如下：

00000000 00000000 00000000 00000100
------------------------------------
00000000 00000000 00000000 00010000

将 4 的二进制表示向左移动 2 位，那么最高2位（最左边的 00）就没有了，最低的2位直接补上两个0。

所以最后结果是：00000000 00000000 00000000 00010000，即为 16。

可以看到，想将一个数翻1倍，就左移1次。

19.7 有符号右移运算符

有符号右移运算符（>>）支持的操作数：

整数：移位时若值为正，则在高位插入0；若值为负，则在高位插入1
字符：转换为对应的ASCII码，然后按照整数运算规则进行运算

示例：

System.out.println(4 >> 2);

计算过程如下：

00000000 00000000 00000000 00000100
------------------------------------
00000000 00000000 00000000 00000001

将 4 的二进制表示向右移动 2 位，那么最低2位（最右边的 00）就没有了，因为是正数，最高的2位直接补上两个0。

所以最后结果是：00000000 00000000 00000000 00000001，即为 1。

如果是负数，如：

System.out.println(-5 >> 2);

计算过程如下：

11111111 11111111 11111111 11111011
------------------------------------
11111111 11111111 11111111 11111110

将 -5 的二进制表示向右移动 2 位，那么最低2位（最右边的 11）就没有了，因为是负数，最高的2位直接补上两个1。

所以最后结果是：11111111 11111111 11111111 11111110，即为 -2。

可以看到要想将一个数减半，就进行有符号右移1位即可。

19.8 无符号右移运算符

有符号右移运算符（>>>）支持的操作数：

整数：移位时无论值的正负，都在高位插入0
字符：转换为对应的ASCII码，然后按照整数运算规则进行运算

示例1：

System.out.println(4 >>> 2);

计算过程如下：

00000000 00000000 00000000 00000100
------------------------------------
00000000 00000000 00000000 00000001

将 4 的二进制表示向右移动 2 位，那么最低2位（最右边的 00）就没有了，最高的2位直接补上两个0。

所以最后结果是：00000000 00000000 00000000 00000001，即为 1。

示例2：

System.out.println(-5 >>> 2);

计算过程如下：

11111111 11111111 11111111 11111011
------------------------------------
00111111 11111111 11111111 11111110

将 -5 的二进制表示向右移动 2 位，那么最低2位（最右边的 00）就没有了，最高的2位直接补上两个0。

所以最后结果是：00111111 11111111 11111111 11111110，即为 1073741822。

19.9 小结

Java位运算分为逻辑运算（&、|、^{、~）和移位运算（<<、>>、>>>）。逻辑运算对二进制位进行操作，移位运算通过移动二进制位实现数值变化。与运算符（&）对应位全1为1；或运算符（|）任意位为1则1；异或运算符（}）不同为1；非运算符（~）取反。移位运算包括左移（低位补0）、有符号右移（正补0负补1）和无符号右移（全补0）。位运算效率高，适用于整数和字符类型，部分运算符也可用于布尔运算（不短路）。