深入学习java位运算的基础知识

  • 2022-07-20 18:54:43

相信大家和我一样,接触java这门语言的时候就听过java位运算的鼎鼎大名,当然也仅限于听说过。日常开发过程中使用过么?使用位运算的好处是什么?

想要真正理解java位运算,首先要搞清楚,这个“位”代表的含义。

一切的起源:二进制

位:二进制位,简称“位”。是二进制记数系统中表示小于2的整数的符号,一般用1或 0表示,是具有相等概率的两种状态中的一种。二进制位的位数可表示一个机器字的字长,一个二进制位包含的信息量称为一比特(bit)。

举个栗子:
int占4个字节(byte)
1byte = 8bit
换算下来,一个int类型即占32bit
int i = 88; 这里的88为十进制,转换为二进制为:1011000,使用完整的32位表示即为:00000000 00000000 00000000 01011000

上文中的00000000 00000000 00000000
01011000即为十进制88转为二进制的 原码 ,与其相关的定义还有 反码 补码

关于原码、反码和补码

在计算机内,有符号数有三种表示法:原码、反码以及补码。
原码:就是二进制定点表示法,即最高位为符号位,“0”正负“1”,其余位表示数值的大小。
反码:正数的反码与其原码相同;负数的反码是对正数逐位取反,符号位保持为1。
补码:正数的补码与其原码相同;负数的补码是在其反码的末位加1。

同样的,我们使用 “88” 举例说明原码、反码以及补码。

“88”的原码:00000000 00000000 00000000 01011000
“88”的反码:00000000 00000000 00000000 01011000
“88”的补码:00000000 00000000 00000000 01011000

对于负数 “-88”,其原码、反码以及补码如下:

“-88”的原码:10000000 00000000 00000000 01011000
“-88”的反码:11111111 11111111 11111111 10100111
“-88”的补码:11111111 11111111 11111111 10101000

为什么要使用补码?

简单来说,就是计算机计算减法时有各种不方便,于是发明了反码,结果发现反码也有缺陷(有两个零存在:“+0”和“-0”),进而发明了补码解决这个问题。

在计算机系统中,数值一律用补码来表示和存储。原因在于,使用补码,可以将符号位和数值域统一处理;同时,加法和减法也可以统一处理。此外,补码与原码相互转换,其运算过程是相同的,不需要额外的硬件电路。

有关补码的意义及作用在上面的链接里讨论的非常详尽,我这里就不班门弄斧了,理解就好~

对原码、反码以及补码有一个初步的认知后,我们接下来再看位运算就会清晰很多。

关于位运算

关于位运算,这里运用哲学上三个究极问题试图讲解清楚位运算究竟是何方神圣:什么是位运算?位运算的作用?位运算有什么优势?

什么是位运算

程序中的所有数在计算机内存中都是以二进制的形式储存的。位运算就是直接对整数在内存中的二进制位进行操作。比如,and运算本来是一个逻辑运算符,但整数与整数之间也可以进行and运算。举个例子,6的二进制是110,11的二进制是1011,那么6 and 11的结果就是2,它是二进制对应位进行逻辑运算的结果(0表示false,1表示true,空位都当0处理)。

下表列出了位运算符的基本运算(a = 8, b = 9)

操作符 描述 例子
按位与& 如果相对应位都是1,则结果为1,否则为0 a&b=8,即1000
按位或| 如果相对应位都是0,则结果为0,否则为1 a|b=9,即1001
按位异或^ 如果相对应位值相同,则结果为0,否则为1 a^b=1,即0001
按位取反~ 按位取反运算符翻转操作数的每一位,即0变成1,1变成0 ~a=7,即0111
左移 << 按位左移运算符。左操作数按位左移右操作数指定的位数 a << 2 = 32,即1000 00
右移 >> 按位右移运算符。左操作数按位右移右操作数指定的位数 a >> 2 = 2,即0010

位运算的作用及优势

我尝试脱离实际应用场景描述清楚位运算的作用及优势,然后发现脱离实际讲应用是件非常困难的事情,其难度不亚于买彩票。所以这里结合android原码中的measurespec类来描述位运算的作用和优势。
熟悉android view体系的小伙伴应该都对measurespec不陌生。不熟悉的请自行google,不然下面你看起来可能就会有些云里雾里。我们来看它的代码:

public static class measurespec {
private static final int mode_shift = 30;
private static final int mode_mask = 0x3 << mode_shift;
public static final int unspecified = 0 << mode_shift;
public static final int exactly = 1 << mode_shift;
public static final int at_most = 2 << mode_shift;
public static int makemeasurespec(int size, int mode) {
if (susebrokenmakemeasurespec) {
return size + mode;
} else {
return (size & ~mode_mask) | (mode & mode_mask);
}
}
public static int getmode(int measurespec) {
return (measurespec & mode_mask);
}
public static int getsize(int measurespec) {
return (measurespec & ~mode_mask);
}
}

代码不难理解,上面就运用了很多位运算。我们都知道measurespec是用来操作view的测量模式以及测量大小的。这个测量模式和测量大小在系统中使用一个32位的int类型的参数表示。如果让我们自己去实现这样一个操作测量模式和测量大小的类,我们大概会这么写:

public class measurespec{
public static final int unspecified = 0;
public static final int exactly = 1;
public static final int at_most = 2;
/**
* 测量模式
*/
private int mode;
/**
* 测量大小
*/
private int size;
public int getmode() {
return mode;
}
public void setmode(int mode) {
this.mode = mode;
}
public int getsize() {
return size;
}
public void setsize(int size) {
this.size = size;
}
}

然后每次对view进行操作的时候都会 new 一个measurespec对象,对其的mode和size参数进行相应的操作。

这里原码就很巧妙的运用了位运算简化了相应的操作,使用32位的二进制来操作mode和size:高两位表示mode,低30位表示size,避免了频繁的创建对象,更省内存,让我等对位运算不了解的拍手称秒哇。

总结

不同于其他文章讲解位运算的概念,本文更侧重于运用位运算的作用及优势。前人筚路蓝缕,以启山林,以聪明才智发明了位运算这种简洁高效的运算符,希望你能理解并正确发挥其作用,走上人生的巅峰~

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持。

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