位运算

Bitwise Operation

2021-03-18 约 1832 字预计阅读 4 分钟

位操作是程序设计中对位模式或二进制数的一元和二元操作。在许多古老的微处理器上，位运算比加减运算略快，通常位运算比乘除法运算要快很多。在现代架构中，情况并非如此：位运算的运算速度通常与加法运算相同（仍然快于乘法运算）。

位运算符

取反（NOT）

取反是一元运算符，对一个二进制数的每一位执行逻辑反操作。使数字1成为0，0成为1。例如：

NOT 0111（十进制7）
  = 1000（十进制8）

许多程序设计语言（包括C语言家族），取反操作符用波浪线"~“表示。值得注意的是此操作符与“逻辑非（!）”操作符不同。在C++中，逻辑非将数字整体看做一个布尔类型——将真值转化为假，将假值转化为真；而C语言将0转化为1，将非零值转化为0。“逻辑非”并不是一个位操作。

按位或（OR）

按位或处理两个长度相同的二进制数，两个相应的二进位中只要有一个为1，该位的结果值为1。例如

   0101（十进制5）
OR 0011（十进制3）
 = 0111（十进制7）

在C类程序设计语言中，按位或操作符是”|"。这一操作符需要与逻辑或运算符（||）区别开来。

按位或能够将每一位看做旗标；在二进制数中的每一位可以表示不同的布尔变量。应用按位或操作可以将二进制数的某一位设为1。例如

0010（十进制2）

能够看做包含4个旗标的组合。第1，2，4旗标为0；第3个旗标为1。利用按位或可以将第1个旗标设置为1，而其他旗标不变。

   0010（十进制2）
OR 1000（十进制8）
 = 1010（十进制10）

这一技巧通常用来保存程序中的大量布尔变量。

按位异或（XOR）

按位异或运算，对等长二进制模式或二进制数的每一位执行逻辑异或操作。操作的结果是如果某位不同则该位为1，否则该位为0。例如

    0101
XOR 0011
  = 0110

在类C语言中，按位异或运算符是"^"。

汇编语言的程序员们有时使用按位异或运算作为将寄存器的值设为0的捷径。用值的自身对其执行按位异或运算将得到0。并且在许多架构中，与直接加载0值并将它保存到寄存器相比，按位异或运算需要较少的中央处理单元时钟周期。

按位异或也可以用于在比特集合中切换旗标。给出一个比特模式，

第一和第三位能够通过按位异或运算使用同时切换。

    0010
XOR 1010
  = 1000

这一技巧可用于操作表示布尔变量的比特模式。

按位与（AND）

按位与处理两个长度相同的二进制数，两个相应的二进位都为1，该位的结果值才为1，否则为0。例如：

    0101
AND 0011
  = 0001

在类C语言中，按位与用’&‘表示

移位

移位是一个二元运算符，用来将一个二进制数中的每一位全部都向一个方向移动指定位，溢出的部分将被舍弃，而空缺的部分填入一定的值。在类C语言中，左移使用两个小于符号"«“表示，右移使用两个大于符号”»“表示。

Java 中移位操作符

在Java编程语言中，移位操作符包含三种，分别是 <<（左移）、 >>（带符号右移）和 >>>（无符号右移）。这三种操作符都只能作用于long、int、short、byte、char这五种基本的整型类型上。

左移操作符 << 是将数据转换成二进制数后，向左移若干位，高位丢弃，低位补零。
带符号右移操作符 >> Java中整型表示负数时，最高位为符号位，正数为0，负数为1。将数据转换成二进制数后，向右移若干位，高位补符号位，低位丢弃。对于正数作右移操作时，具体体现为高位补0；负数则补1。
无符号右移操作符 >>> 与 >> 类似，都是将数据转换为二进制数后右移若干位，不同之处在于，不论负数与否，结果都是高位补零，低位丢弃。

Java对移位操作符的右操作数rhs有特别的处理，对于int类型，只取其低5位，也就是取 rhs % 32 的结果；对于long类型，只取其低6位，也即是取 rhs % 64 的结果。因此，对于 x >>> 32，实际上是 x >>> (32 % 32)，也即 x >>> 0

移位操作符虽说是Java中最基本的操作符之一，但是若不彻底弄清楚其中细节，稍有不慎，便容易犯错。移位操作符实际上支持的类型只有int和long，编译器在对short、byte、char类型进行移位前，都会将其转换为int类型再操作。移位操作符在JDK源码中，最常见的用法便是将其当成是乘 * 或者除 / 操作符使用：对一个整型左移一位，相当于乘以2；右移一位，相当于除以2。其中原因就是，相比于使用 * 和 / ，在Java代码里使用 « 和 » 转换成的指令码运行起来会更高效些。

JAVA 中同样的还有 >>>=

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