一文搞懂位运算_位运算示意

一，原码、反码、补码

 接下来我们主要介绍十进制数用二进制表示的不同方法，所以为了简洁，我们用一个字节，也就是8个bit来表示二进制数。

1，原码

原码其实是最容易理解的，只不过需要利用二进制中的第一位来表示符号位，0表示正数，1表示负数，所以可以看到，一个数字用二进制原码表示的话，取值范围是-111 1111 ~ +111 1111，换成十进制就是-127 ~ 127。

2，反码

在数学中我们有加减乘除，而对于计算机来说最好只有加法，这样计算机会更加简单高效，我们知道在数学中5-3=2，其实可以转换成5+(-3)=2，这就表示减法可以用加法表示，而乘法是加法的累积，除法是减法的累积，所以在计算机中只要有加法就够了。
一个数字用原码表示是容易理解的，但是需要单独的一个bit来表示符号位。并且在进行加法时，计算机需要先识别某个二进制原码是正数还是负数，识别出来之后再进行相应的运算。这样效率不高，能不能让计算机在进行运算时不用去管符号位，也就是说让符号位也参与运算，这就要用到反码。

正数的反码和原码一样，负数的反码就是在原码的基础上符号位保持不变，其他位取反。
那么我们来看一下，用反码直接运算会是什么情况，我们以5-3举例。
5 - 3 等于 5 + (-3)

5-3
= 5+(-3)
= 0000 0101(反码) + 1111 1100(反码) 
= 0000 0001(反码)
= 0000 0001(原码) 
= 1
 
 
 0000 0101
+1111 1100
-----------
 0000 0001
 
计算完成之后转换回原码
正数的反码和原码一样
所以最后结果为 0000 0001(原码) 
转换成10进制为1

这不对呀? 5-3=1?，为什么差了1？

我们来看一个特殊的运算：

1-1
= 1+(-1)
= 0000 0001(反码) + 1111 1110(反码)
= 1111 1111(反码)
= 1000 0000(原码)
= -0
 
 
 0000 0101
+1111 1110
-----------
 1111 1111
 
计算完成之后转换回原码
负数的原码符号位不变，其他位取反
所以最后结果为 1000 0000(原码) 
转换为10进制为-0

我们来看一个特殊的运算：

0+0
= 0000 0000(反码) + 0000 0000(反码)
= 0000 0000(反码)
= 0000 0000(原码)
= 0
 
 
 0000 0000
+0000 0000
-----------
 0000 0000
 
计算完成之后转换回原码
正数的反码和原码一样
所以最后结果为 0000 0000(原码) 
转换为10进制为0

我们可以看到1000 0000表示-0，0000 0000表示0，虽然-0和0是一样的，但是在用原码和反码表示时是不同的，我们可以理解为在用一个字节表示数字取值范围时，这些数字中多了一个-0，所以导致我们在用反码直接运算时符号位可以直接参加运算，但是结果会不对。

3，补码

为了解决反码的问题就出现了补码。

正数的补码和原码、反码一样，负数的补码就是反码+1。

5-3
= 5+(-3)
= 0000 0101(补码) + 1111 1101(补码)
= 0000 0010(补码)
= 0000 0010(反码)
= 0000 0010(原码) 
= 2

5-3=2！！正确。
再来看特殊的：

1-1
= 1+(-1)
= 0000 0001(补码) + 1111 1111(补码)
= 0000 0000(补码)
= 0000 0000(反码)
= 0000 0000(原码)
= 0

1-1=0！！正确
再来看一个特殊的运算：

0+0
= 0000 0000(补码) + 0000 0000(补码)
= 0000 0000(补码)
= 0000 0000(反码)
= 0000 0000(原码)
= 0

0+0=0！！也正确。
所以，我们可以看到补码解决了反码的问题。
所以对于数字，我们可以使用补码的形式来进行二进制表示。

二，Java中有三个位移运算

• <<：左移
• >>：右移
• >>>：无符号右移

System.out.println(2 << 1);     // 4
System.out.println(2 >> 1);     // 1
System.out.println(2 >>> 1);    // 1
System.out.println(-2 << 1);    // -4
System.out.println(-2 >> 1);    // -1
System.out.println(-2 >>> 1);   // 2147483647

“2”和“-2”，这是两个十进制数，并且是int类型的(java中占四个字节)，位运算是基于二进制bit来的，所以我们需要将十进制转换为二进制之后再进行运算。

2 << 1：十进制“2”转换成二进制为“00000000 00000000 00000000 00000010”，再将二进制左移一位，高位丢弃，低位补0，所以结果为“00000000 00000000 00000000 00000100”，换算成十进制则为“4”

2 >> 1：十进制“2”转换成二进制为“00000000 00000000 00000000 00000010”，再将二进制右移一位，低位丢弃，高位补0，所以结果为“00000000 00000000 00000000 00000001”，换算成十进制则为“1”

对于这两种情况非常好理解，那什么是无符号右移，以及负数是怎么运算的呢？ 我们先来看-2 << 1与-2 >> 1，这两个负数的左移与右移操作其实和正数类似，都是先将十进制数转换成二进制数，再将二进制数进行移动，所以现在的关键是负数如何用二进制数进行表示。

负数位移运算，上面我们说了原码，反码，补码，知道负数运算都是先转换为补码运算完成后再转换为原码

我们再来看-2 << 1与-2 >> 1。

-2 << 1，表示-2的补码左移一位后为11111111 11111111 11111111 11111100，该补码对应的反码为

  11111111 11111111 11111111 11111100
- 00000000 00000000 00000000 00000001
--------------------------------------
  11111111 11111111 11111111 11111011

该反码对应的原码为：符号位不变，其他位取反，为10000000 00000000 00000000 00000100，表示-4。
所以-2 << 1 = -4。

同理-2 >> 1是一样的计算方法，这里就不演示了。

无符号右移

上面在进行左移和右移时，我有一点没讲到，就是在对补码进行移动时，符号位是固定不动的，而无符号右移是指在进行移动时，符号位也会跟着一起移动。

比如-2 >>> 1

-2的补码右移1位为：01111111 11111111 11111111 11111111

右移后的补码对应的反码、原码为：01111111 11111111 11111111 11111111 （因为现在的符号位为0，表示正数，正数的原、反、补码都相同）
所以，对应的十进制为2147483647。
也就是-2 >>> 1 = 2147483647

三，位运算符与，或，非，异或

1，与（&）运算符

按位与运算符"&"是双目运算符。 其功能是参与运算的两数各对应的二进位相与。只有对应的 两个二进位均为1时，结果位才为1 ，否则为0。

例如 15&127

15 的二进制位： 00000000 00000000 00000000 00001111
127 的二进制为   00000000 00000000 00000000 01111111

15 & 127 ：00000000 00000000 00000000 00001111 = 15

2，或（|）运算符

按位或运算符“|”是双目运算符。 其功能是参与运算的两数各对应的二进位相或。只要对应的 两个二进位有一个为1时，结果位就为1，否则为0。

例如  127｜128

127 的二进制位：00000000 00000000 00000000 01111111
128 的二进制位：00000000 00000000 00000000 10000000

127｜128 ：00000000 00000000 00000000 11111111 = 255

3，非（~）运算符

按位非运算符“~”是双目运算符。其功能是参非运算的数，对应位为0，结果位为1；对应位为1，结果位为0

例如  ~1
十进制 1 的二进制表示为：00000000 00000000 00000000 00000001

每位都取反为：01111111 11111111 11111111 11111110

4，异或（^）运算符

按位异或运算符“^”是双目运算符。 其功能是参与运算的两数各对应的二进位相异或，当两对应的二进位相异时，结果为1，相同则为0。

例如  2^3

2 的二进制位：00000000 00000000 00000000 00000010
3 的二进制位：00000000 00000000 00000000 00000011

2^3 ：00000000 00000000 00000000 00000001

四，常用表达式

1，案例1

2 << 1 = 4 = 2*2
2 << 2 = 8 = 2*2*2
2 << n = 2*2n
m << n = m * 2n

右移则相反。

2，案例2

package com.example.demo.bit;
 
public class TestIntBit {
    
    public static void main(String[] args) {
 
        //0 -> 00000000 00000000 00000000 00000000 -> 0-31
        //1 -> 00000000 00000000 00000000 00000000 -> 32-63
        //2 -> 00000000 00000000 00000000 00000000 -> 64-95
        //3 -> 00000000 00000000 00000000 00000000 -> 96-127
        int[] ints = new int[4];
        //将100位修改为1
        select(ints);
        read(ints);
        //将100位修改为0
        unSelect(ints);
        read(ints);
    }
 
    private static void read(int[] ints) {
        //读出i位的状态 0 ｜ 1
        //将100位修改为0
        int i = 100;
        //3
        int x = i / 32;
        //00000000 00000000 00000000 00010000
        //00000000 00000000 00000000 00010000
        //00000000 00000000 00000000 00010000
 
        //00000000 00000000 00000000 00000000
        //00000000 00000000 00000000 00010000
        //00000000 00000000 00000000 00000000
        int i1 = ints[x] & (1 << (i % 32));
        int i2 = i1 == 0 ? 0 : 1;
        System.out.println(i2);
    }
 
    /**
     * 将100位修改为0
     */
    private static void unSelect(int[] ints) {
        //将100位修改为0
        int i = 100;
        //3
        int x = i / 32;
        //之前不论是什么全部变为0
        //00000000 00000000 00000000 00010000
        //11111111 11111111 11111111 11101111
        int i1 = ~(1 << (i % 32));
        //00000000 00000000 00000000 00010000
        //11111111 11111111 11111111 11101111
        //00000000 00000000 00000000 00000000
        //ints[x] = i1 & ints[x];
        ints[x] &= i1;
    }
 
    /**
     * 将100位修改为1
     */
    private static void select(int[] ints) {
        //将100位修改为1
        int i = 100;
        //3
        int x = i / 32;
        //00000000 00000000 00000000 00010000
        int j = 1 << (i % 32);
        //00000000 00000000 00000000 00010000
        //00000000 00000000 00000000 00000000
        //00000000 00000000 00000000 00010000
        //ints[x] = ints[x] ｜ j;
        ints[x] |= j;
    }
 
 
}

执行结果

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