Java 移位、逻辑运算符详解(~史上最全|吹牛逼)

目录

一、<< ：左移运算符

二、>> ：右移运算符

三、>>> ：无符号右移

四、& ：与运算

五、| ：或运算

六、~ ：非运算 

七、^ ：异或运算

拓展问题：

一：从计算速度上讲，移位运算要比算术运算快?

二：二进制的起源

日常发车:

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参考文章：
https://blog.csdn.net/is_zhoufeng/article/details/8112199

一、<< ：左移运算符

说明：将运算符左边的对象向左移动运算符右边指定的位数（在低位补0）
通俗含义：num << 1,相当于num乘以2，依次数字递增，乘以2的平方（不严谨）

例如：

2 << 1 //4 移了一位2*2

2 << 2 //8 移了两位 2*2*2

2 << 3 //16 移了三位 2*2*2*2

 

二、>> ：右移运算符

说明：如果值为正，则在高位补0，如果值为负，则在高位补1.
通俗含义：num >> 1,相当于num除以2，依次数字递增，除以2的平方（不严谨）

例如：

16 >> 1 //8 移了一位 16/2

16 >> 2 //4 移了两位 16/2/2

16 >> 3 //2 移了三位 16/2/2/2

三、>>> ：无符号右移

说明：忽略符号位，高位都以0补齐
含义：无符号右移运算符>>>  结果总是正数或者0 

为什么只对正数有意义，对负数没有什么算术意义，只有逻辑意义：
因为如果一个数位负数，按照现实中数学常识，除以或乘一个负数都是负数，但在程序中都是正数显示

为什么只是对32位和64位的值有意义 ？
例如：

System.out.println(-1024 >> 4); //-64

System.out.println(-1024 >>> 4); //268435392

System.out.println(1024 >>> 24); //0

引申:
与（&）、非（~）、或（|）、 从电路的角度理解 

“门”是这样的一种电路：它规定各个输入信号之间满足某种逻辑关系时，才有信号输出。
从逻辑关系看，门电路的输入端或输出端只有两种状态，无信号以“0”表示，有信号以“1”表示。

产生：通常有下列三种门电路：与门、或门、非门（反相器）

0为假,1为真     =====》
true ——> 1
false ——> 0

四、& ：与运算

说明；符号两边都为true，结果才是true，否则为false；对于数字，可将数字转换为2进制形式去理解，采用同位 与 操作即可得出结果。
联想：在与运算中两个开关是串联的，如果我们要开灯，需要两个开关都打开灯才会打开。

例如：

true&true=true

true&false=false

false&false=false

2&3=2 即：0010&0011=0010 （从高位到低位，依次做与操作）

五、| ：或运算

说明：符号两边只有有一个为true，则结果为true，否则为false；对于数字，可将数字转换为2进制形式去理解，采用同位 或 操作即可得出结果。
联想：在或运算中两个开关是并联的，即一个开关开，则灯开。

例如：

true|true=true

true|false=true

false|true=true

false|false=false

2|3=3 即：0010|0011=0011 （从高位到低位，依次做或操作）

六、~ ：非运算 

联想：非门输出与输入相反，即取反运算

例如：

!true=false

!false=true

System.out.println(~2);//-3

System.out.println(~-2);//1

七、^ ：异或运算

说明：相同为0，不同为1；对于数字，可将数字转换为2进制形式去理解，采用同位 异或 操作即可得出结果。
含义：异或是一种基于二进制的位运算，用符号XOR或者 ^ 表示，其运算法则是对运算符两侧数的每一个二进制位，同值取0，异值取1。

重要性质：
自反性：A XOR B XOR B = A xor  0 = A
即对给定的数A，用同样的运算因子（B）作两次异或运算后仍得到A本身

不进位加法：如1+1=0，,0+0=0,1+0=1。

实际应用：
利用自反性，可以获得许多有趣的应用。 例如，所有的程序教科书都会向初学者指出，要交换两个变量的值，必须要引入一个中间变量。但如果使用异或，就可以节约一个变量的存储空间： 设有A,B两个变量，存储的值分别为a，b，则以下三行表达式将互换他们的值 表达式 （值） ：

 A=A XOR B (a XOR b)

 B=B XOR A (b XOR a XOR b = a) 

 A=A XOR B (a XOR b XOR a = b)

 类似地，该运算还可以应用在加密，数据传输，校验等等许多领域。

常规测试：

2^3=1，即0010^0011=0001

true^true=false

false^false=false

true^false=true

5^2=7 即：0101^0010=0111 （从高位到低位，依次做异或操作）

 

拓展问题：

 

一：从计算速度上讲，移位运算要比算术运算快?

参考：https://blog.csdn.net/fyilun/article/details/45168253

CPU角度：
因为移位指令占2个机器周期，而乘除法指令占4个机器周期。

 

因为移位指令不需要涉及到逻辑运算.

常规一条指令被拆分的步骤
IF    ID    EX    MEM     WB UP
取指、译码、执行、访存、写回、更新

移位指令：取指 、写回（写）
乘除法指令：取指、译码、执行、写回（一次逻辑运算和一次写）

从硬件上看，移位对硬件更容易实现，所以会用移位，移一位就乘2,这种乘法当然考虑移位了。

实际应用角度，JVM的自主优化:
对于乘法和以及%运算，JVM一定会优化，这些是不需要程序员去考虑的，直接去用*/%即可。
对于除法，因为上述问题，确实是位移更快些。不过通常还是考虑使用位运算：
例如JVM源码:

java.util.Arrays.binarySearch：

int low = fromIndex;
int high = toIndex - 1;

while (low <= high) {
    int mid = (low + high) >>> 1;
    int midVal = a[mid];

    if (midVal < key)
        low = mid + 1;
    else if (midVal > key)
        high = mid - 1;
    else
        return mid; // key found
}
return -(low + 1);  // key not found.

解析:(low + high) >>> 1代替(low + high) /2是非常正确的，首先是因为数组下标肯定不会是负数，另一方面如果low + high大于int最大值（溢出变为负数了）时，只有>>>1能保证结果正确。

 

二：二进制的起源

中国的《易经》以爻、卦来表示天地和万物，其中爻是最基本的元素，爻分阴爻（用“--”表示）和阳爻（用“—”表示）两种，阴爻和阳爻的不同排列就是卦象，一个卦象称为一卦，一卦由六爻组成一卦就是一个整体。

世界万物中最基本的要素有8种，分别是天、地、雷、风、水、火、山和泽，他们分别用八卦表示，即乾、坤、震、坎、离、艮、兑，八卦互相搭配又得六十四卦，用来表示各种自然现象和人事现象。

我们对比二进制的组成：二进制的位用0，1表示，3位二进制可组合成8种状态，即可表示为0，1，...，7这8个数，而2个3位二进制组合，即变为6位二进制数，即：2＝64，即64种状态。

莱布尼兹是第一个认识到二进制记数法重要性的人，并系统地提出了二进制数的运算法则。二进制对200多年后计算机的发展产生了深远的影响。他于1716年发表了《论中国的哲学》一文，
还设计了一台可以完成数码计算的机器。并进行了二进制的推广。

参考：
https://zhidao.baidu.com/question/1177745006240062179.html

联想到
我们为什么使用二进制去作为基本元素?

核心：两个状态的系统容易实现 、运算法则简单、可进行逻辑运算。

运算规则简单：节省设备。人们知道，具有两种稳定状态的元件（如晶体管的导通和截止，继电器的接通和断开，电脉冲电平的高低等）容易找到，而要找到具有10种稳定状态的元件来对应十进制的10个数就困难了

适合逻辑运算：逻辑代数是逻辑运算的理论依据，二进制只有两个数码，正好与逻辑代数中的“真”和“假”相吻合

容易实现：二进制在物理上最易实现存储，通过磁极的取向、表面的凹凸、光照的有无等来记录。

日常发车:

程序员的工作是相对孤独的，如何平衡呢？看下图：

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