Java 位运算符

文章 出自： http://blog.csdn.net/vvggsky/article/details/1565946

Java定义的位运算（bitwiseoperators）直接对整数类型的位进行操作，这些整数类型包括long，int，short，char，andbyte。表4-2列出了位运算：
表4.2位运算符及其结果

运算符结果
~按位非（NOT）（一元运算）
&按位与（AND）
|按位或（OR）
^按位异或（XOR）
>>右移
>>>右移，左边空出的位以0填充
运算符结果
<<左移
&=按位与赋值
|=按位或赋值
^=按位异或赋值
>>=右移赋值
>>>=右移赋值，左边空出的位以0填充
<<=左移赋值

续表

既然位运算符在整数范围内对位操作，因此理解这样的操作会对一个值产生什么效果是重要的。具体地说，知道Java是如何存储整数值并且如何表示负数的是有用的。因此，在继续讨论之前，让我们简短概述一下这两个话题。

所有的整数类型以二进制数字位的变化及其宽度来表示。例如，byte型值42的二进制代码是00101010，其中每个位置在此代表2的次方，在最右边的位以20开始。向左下一个位置将是21，或2，依次向左是22，或4，然后是8，16，32等等，依此类推。因此42在其位置1，3，5的值为1（从右边以0开始数）；这样42是21+23+25的和，也即是2+8+32。

所有的整数类型（除了char类型之外）都是有符号的整数。这意味着他们既能表示正数，又能表示负数。Java使用大家知道的2的补码（two’scomplement）这种编码来表示负数，也就是通过将与其对应的正数的二进制代码取反（即将1变成0，将0变成1），然后对其结果加1。例如，-42就是通过将42的二进制代码的各个位取反，即对00101010取反得到11010101，然后再加1，得到11010110，即-42。要对一个负数解码，首先对其所有的位取反，然后加1。例如-42，或11010110取反后为00101001，或41，然后加1，这样就得到了42。

如果考虑到零的交叉（zerocrossing）问题，你就容易理解Java（以及其他绝大多数语言）这样用2的补码的原因。假定byte类型的值零用00000000代表。它的补码是仅仅将它的每一位取反，即生成11111111，它代表负零。但问题是负零在整数数学中是无效的。为了解决负零的问题，在使用2的补码代表负数的值时，对其值加1。即负零11111111加1后为100000000。但这样使1位太靠左而不适合返回到byte类型的值，因此人们规定，-0和0的表示方法一样，-1的解码为11111111。尽管我们在这个例子使用了byte类型的值，但同样的基本的原则也适用于所有Java的整数类型。

因为Java使用2的补码来存储负数，并且因为Java中的所有整数都是有符号的，这样应用位运算符可以容易地达到意想不到的结果。例如，不管你如何打算，Java用高位来代表负数。为避免这个讨厌的意外，请记住不管高位的顺序如何，它决定一个整数的符号。

4.2.1位逻辑运算符
位逻辑运算符有“与”（AND）、“或”（OR）、“异或（XOR）”、“非（NOT）”，分别用“&”、“|”、“^”、“~”表示，4-3表显示了每个位逻辑运算的结果。在继续讨论之前，请记住位运算符应用于每个运算数内的每个单独的位。
表4-3位逻辑运算符的结果
A0101B0011A|B0111A&B0001A^B0110~A1010

按位非（NOT）

按位非也叫做补，一元运算符NOT“~”是对其运算数的每一位取反。例如，数字42，它的二进制代码为：

00101010

经过按位非运算成为

11010101

按位与（AND）

按位与运算符“&”，如果两个运算数都是1，则结果为1。其他情况下，结果均为零。看下面的例子：

0010101042&0000111115

0000101010

按位或（OR）

按位或运算符“|”，任何一个运算数为1，则结果为1。如下面的例子所示：

0010101042|0000111115

0010111147

按位异或（XOR）

按位异或运算符“^”，只有在两个比较的位不同时其结果是1。否则，结果是零。下面的例子显示了“^”运算符的效果。这个例子也表明了XOR运算符的一个有用的属性。注意第二个运算数有数字1的位，42对应二进制代码的对应位是如何被转换的。第二个运算数有数字0的位，第一个运算数对应位的数字不变。当对某些类型进行位运算时，你将会看到这个属性的用处。

0010101042^0000111115

0010010137
位逻辑运算符的应用

下面的例子说明了位逻辑运算符：

//Demonstratethebitwiselogicaloperators.
classBitLogic{
publicstaticvoidmain(Stringargs[]){


Stringbinary[]={"0000","0001","0010","0011","0100","0101","0110","0111","1000","1001","1010","1011","1100","1101","1110","1111"

};
inta=3;//0+2+1or0011inbinary
intb=6;//4+2+0or0110inbinary
intc=a|b;
intd=a&b;
inte=a^b;
intf=(~a&b)|(a&~b);
intg=~a&0x0f;


System.out.println("a="+binary[a]);
System.out.println("b="+binary[b]);
System.out.println("a|b="+binary[c]);
System.out.println("a&b="+binary[d]);
System.out.println("a^b="+binary[e]);
System.out.println("~a&b|a&~b="+binary[f]);
System.out.println("~a="+binary[g]);


}
}


在本例中，变量a与b对应位的组合代表了二进制数所有的4种组合模式：0-0，0-1，1-0，和1-1。“|”运算符和“&”运算符分别对变量a与b各个对应位的运算得到了变量c和变量d的值。对变量e和f的赋值说明了“^”运算符的功能。字符串数组binary代表了0到15对应的二进制的值。在本例中，数组各元素的排列顺序显示了变量对应值的二进制代码。数组之所以这样构造是因为变量的值n对应的二进制代码可以被正确的存储在数组对应元素binary[n]中。例如变量a的值为3，则它的二进制代码对应地存储在数组元素binary[3]中。~a的值与数字0x0f（对应二进制为00001111）进行按位与运算的目的是减小~a的值，保证变量g的结果小于16。因此该程序的运行结果可以用数组binary对应的元素来表示。该程序的输出如下：

a=0011b=0110a|b=0111a&b=0010a^b=0101~a&b|a&~b=0101~a=1100

4.2.2左移运算符
左移运算符<<使指定值的所有位都左移规定的次数。它的通用格式如下所示：

value<<num
这里，num指定要移位值value移动的位数。也就是，左移运算符<<使指定值的所有位都左移num位。每左移一个位，高阶位都被移出（并且丢弃），并用0填充右边。这意味着当左移的运算数是int类型时，每移动1位它的第31位就要被移出并且丢弃；当左移的运算数是long类型时，每移动1位它的第63位就要被移出并且丢弃。

在对byte和short类型的值进行移位运算时，你必须小心。因为你知道Java在对表达式求值时，将自动把这些类型扩大为int型，而且，表达式的值也是int型。对byte和short类型的值进行移位运算的结果是int型，而且如果左移不超过31位，原来对应各位的值也不会丢弃。但是，如果你对一个负的byte或者short类型的值进行移位运算，它被扩大为int型后，它的符号也被扩展。这样，整数值结果的高位就会被1填充。因此，为了得到正确的结果，你就要舍弃得到结果的高位。这样做的最简单办法是将结果转换为byte型。下面的程序说明了这一点：

//Leftshiftingabytevalue.
classByteShift{


publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
bytea=64,b;
inti;


i=a<<2;
b=(byte)(a<<2);


System.out.println("Originalvalueofa:"+a);
System.out.println("iandb:"+i+""+b);
}
}


该程序产生的输出下所示：

Originalvalueofa:64
iandb:2560


因变量a在赋值表达式中，故被扩大为int型，64（01000000）被左移两次生成值256（100000000）被赋给变量i。然而，经过左移后，变量b中惟一的1被移出，低位全部成了0，因此b的值也变成了0。

既然每次左移都可以使原来的操作数翻倍，程序员们经常使用这个办法来进行快速的2的乘法。但是你要小心，如果你将1移进高阶位（31或63位），那么该值将变为负值。下面的程序说明了这一点：

//Leftshiftingasaquickwaytomultiplyby2.
classMultByTwo{


publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
inti;
intnum=0xFFFFFFE;


for(i=0;i<4;i++){
num=num<<1;
System.out.println(num);


}
}
这里，num指定要移位值value移动的位数。也就是，左移运算符<<使指定值的所有位都左移num位。每左移一个位，高阶位都被移出（并且丢弃），并用0填充右边。这意味着当左移的运算数是int类型时，每移动1位它的第31位就要被移出并且丢弃；当左移的运算数是long类型时，每移动1位它的第63位就要被移出并且丢弃。

在对byte和short类型的值进行移位运算时，你必须小心。因为你知道Java在对表达式求值时，将自动把这些类型扩大为int型，而且，表达式的值也是int型。对byte和short类型的值进行移位运算的结果是int型，而且如果左移不超过31位，原来对应各位的值也不会丢弃。但是，如果你对一个负的byte或者short类型的值进行移位运算，它被扩大为int型后，它的符号也被扩展。这样，整数值结果的高位就会被1填充。因此，为了得到正确的结果，你就要舍弃得到结果的高位。这样做的最简单办法是将结果转换为byte型。下面的程序说明了这一点：

//Leftshiftingabytevalue.
classByteShift{


publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
bytea=64,b;
inti;


i=a<<2;
b=(byte)(a<<2);


System.out.println("Originalvalueofa:"+a);
System.out.println("iandb:"+i+""+b);
}
}


该程序产生的输出下所示：

Originalvalueofa:64
iandb:2560


因变量a在赋值表达式中，故被扩大为int型，64（01000000）被左移两次生成值256（100000000）被赋给变量i。然而，经过左移后，变量b中惟一的1被移出，低位全部成了0，因此b的值也变成了0。

既然每次左移都可以使原来的操作数翻倍，程序员们经常使用这个办法来进行快速的2的乘法。但是你要小心，如果你将1移进高阶位（31或63位），那么该值将变为负值。下面的程序说明了这一点：

//Leftshiftingasaquickwaytomultiplyby2.
classMultByTwo{


publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
inti;
intnum=0xFFFFFFE;


for(i=0;i<4;i++){
num=num<<1;
System.out.println(num);


}
}
}

该程序的输出如下所示：

536870908
1073741816
2147483632
-32


初值经过仔细选择，以便在左移4位后，它会产生-32。正如你看到的，当1被移进31位时，数字被解释为负值。

4.2.3右移运算符
右移运算符>>使指定值的所有位都右移规定的次数。它的通用格式如下所示：

value>>num

这里，num指定要移位值value移动的位数。也就是，右移运算符>>使指定值的所有位都右移num位。下面的程序片段将值32右移2次，将结果8赋给变量a:

inta=32;
a=a>>2;//anowcontains8


当值中的某些位被“移出”时，这些位的值将丢弃。例如，下面的程序片段将35右移2次，它的2个低位被移出丢弃，也将结果8赋给变量a:

inta=35;
a=a>>2;//astillcontains8


用二进制表示该过程可以更清楚地看到程序的运行过程：

0010001135
>>2
000010008


将值每右移一次，就相当于将该值除以2并且舍弃了余数。你可以利用这个特点将一个整数进行快速的2的除法。当然，你一定要确保你不会将该数原有的任何一位移出。

右移时，被移走的最高位（最左边的位）由原来最高位的数字补充。例如，如果要移走的值为负数，每一次右移都在左边补1，如果要移走的值为正数，每一次右移都在左边补0，这叫做符号位扩展（保留符号位）（signextension），在进行右移操作时用来保持负数的符号。例如，–8>>1是–4，用二进制表示如下：

11111000–8>>111111100–4

一个要注意的有趣问题是，由于符号位扩展（保留符号位）每次都会在高位补1，因此-1右移的结果总是–1。有时你不希望在右移时保留符号。例如，下面的例子将一个byte型的值转换为用十六
进制表示。注意右移后的值与0x0f进行按位与运算，这样可以舍弃任何的符号位扩展，以便得到的值可以作为定义数组的下标，从而得到对应数组元素代表的十六进制字符。

//Maskingsignextension.
classHexByte{
staticpublicvoidmain(Stringargs[]){


charhex[]={
’0’,’1’,’2’,’3’,’4’,’5’,’6’,’7’,
’8’,’9’,’a’,’b’,’c’,’d’,’e’,’f’’


};
byteb=(byte)0xf1;


System.out.println("b=0x"+hex[(b>>4)&0x0f]+hex[b&0x0f]);}}

该程序的输出如下：

b=0xf1

4.2.4无符号右移
正如上面刚刚看到的，每一次右移，>>运算符总是自动地用它的先前最高位的内容补它的最高位。这样做保留了原值的符号。但有时这并不是我们想要的。例如，如果你进行移位操作的运算数不是数字值，你就不希望进行符号位扩展（保留符号位）。当你处理像素值或图形时，这种情况是相当普遍的。在这种情况下，不管运算数的初值是什么，你希望移位后总是在高位（最左边）补0。这就是人们所说的无符号移动（unsignedshift）。这时你可以使用Java的无符号右移运算符>>>，它总是在左边补0。

下面的程序段说明了无符号右移运算符>>>。在本例中，变量a被赋值为-1，用二进制表示就是32位全是1。这个值然后被无符号右移24位，当然它忽略了符号位扩展，在它的左边总是补0。这样得到的值255被赋给变量a。

inta=-1;a=a>>>24;

下面用二进制形式进一步说明该操作：

11111111111111111111111111111111int型-1的二进制代码>>>24无符号右移24位00000000000000000000000011111111int型255的二进制代码

由于无符号右移运算符>>>只是对32位和64位的值有意义，所以它并不像你想象的那样有用。因为你要记住，在表达式中过小的值总是被自动扩大为int型。这意味着符号位扩展和移动总是发生在32位而不是8位或16位。这样，对第7位以0开始的byte型的值进行无符号移动是不可能的，因为在实际移动运算时，是对扩大后的32位值进行操作。下面的例子说明了这一点：

//Unsignedshiftingabytevalue.
classByteUShift{
staticpublicvoidmain(Stringargs[]){
进制表示。注意右移后的值与0x0f进行按位与运算，这样可以舍弃任何的符号位扩展，以便得到的值可以作为定义数组的下标，从而得到对应数组元素代表的十六进制字符。

//Maskingsignextension.
classHexByte{
staticpublicvoidmain(Stringargs[]){


charhex[]={
’0’,’1’,’2’,’3’,’4’,’5’,’6’,’7’,
’8’,’9’,’a’,’b’,’c’,’d’,’e’,’f’’


};
byteb=(byte)0xf1;


System.out.println("b=0x"+hex[(b>>4)&0x0f]+hex[b&0x0f]);}}

该程序的输出如下：

b=0xf1

4.2.4无符号右移
正如上面刚刚看到的，每一次右移，>>运算符总是自动地用它的先前最高位的内容补它的最高位。这样做保留了原值的符号。但有时这并不是我们想要的。例如，如果你进行移位操作的运算数不是数字值，你就不希望进行符号位扩展（保留符号位）。当你处理像素值或图形时，这种情况是相当普遍的。在这种情况下，不管运算数的初值是什么，你希望移位后总是在高位（最左边）补0。这就是人们所说的无符号移动（unsignedshift）。这时你可以使用Java的无符号右移运算符>>>，它总是在左边补0。

下面的程序段说明了无符号右移运算符>>>。在本例中，变量a被赋值为-1，用二进制表示就是32位全是1。这个值然后被无符号右移24位，当然它忽略了符号位扩展，在它的左边总是补0。这样得到的值255被赋给变量a。

inta=-1;a=a>>>24;

下面用二进制形式进一步说明该操作：

11111111111111111111111111111111int型-1的二进制代码>>>24无符号右移24位00000000000000000000000011111111int型255的二进制代码

由于无符号右移运算符>>>只是对32位和64位的值有意义，所以它并不像你想象的那样有用。因为你要记住，在表达式中过小的值总是被自动扩大为int型。这意味着符号位扩展和移动总是发生在32位而不是8位或16位。这样，对第7位以0开始的byte型的值进行无符号移动是不可能的，因为在实际移动运算时，是对扩大后的32位值进行操作。下面的例子说明了这一点：

//Unsignedshiftingabytevalue.
classByteUShift{
staticpublicvoidmain(Stringargs[]){
intb=2;
intc=3;


a|=4;
b>>=1;
c<<=1;
a^=c;
System.out.println("a="+a);
System.out.println("b="+b);
System.out.println("c="+c);


}
}


该程序的输出如下所示：

a=3
b=1
c=6