Java的位运算实例代码分析

位运算

很久以前学习过位运算，但是很久不用，感觉都忘得差不多了。最近看了几处位运算的代码，发现都看不懂了，哈。也是时候回来补一补基础知识了。

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。

位运算的运算符：

这些算是很基础的知识了，但是太久不用，还是难免会遗忘了，在编码的同时，可以多多使用！

Talk is cheap, show me the code.

说明：单独讨论这些确实是很难看到应用的地方，如果有不太清楚的可以去看看其他人的总结。

我们以一个代码来看看位运算的应用：

public final void writeInt(int v) throws IOException {
	  out.write((v >>> 24) & 0xFF);
	  out.write((v >>> 16) & 0xFF);
	  out.write((v >>>  8) & 0xFF);
	  out.write((v >>>  0) & 0xFF);
	  incCount(4);
}

这段代码是 DataOutputStream 类中的一个方法，用于将一个 int 型的整数写入流中。这个方法的命名是很有意思的，它和 OutputStream 中的 public abstract void write(int b) throws IOException 这个方法是完全不同的。这个方法的参数似乎是表示它可以将一个 int 型整数写入流中，但是方法的功能不是靠猜测的，而是要看方法的描述。

public abstract void write(int b) throws IOException

API 中的介绍：

Writes the specified byte to this output stream. The general contract for write is that one byte is written to the output stream. The byte to be written is the eight low-order bits of the argument b. The 24 high-order bits of b are ignored.

它是将一个特定的字节写入流中，我们知道一个int型变量占32位，一个byte占8位，所以一个小于256（2^8）的int型整数和byte型整数的最后8位是相同的。

因此这个方法是写入一个int型变量的最低8位，而将剩下的24位忽略。使用这个方法的时候，要格外注意！

The byte to be written is the eight low-order bits of the argument b. The 24 high-order bits of b are ignored.

所以，将一个int型的变量完整的写入流中，并不是一个很简单的问题。让我们再回到上面这端代码： 它是连续四次写入，每次写入一个字节的数据，这样一个int型的变量，就被变为4个字节写入流中了。

out.write((v >>> 24) & 0xFF); 这个方法就是上面的写入较低的8位数字，这个具体实现是相应的子类提供的。

我们来看看图解： 一个简单的与运算：可以看出运算的结果是保留了低8位，这个就是 (v>>>24) & 0xFF 运算的结果。

那么如何获取高8位的值呢？这就要使用移位运算进行操作了：

通过进行移位操作，就可以获取每8位的数据，然后再进行按位与 & 运算，就可以将一个int型整数完全的写入流中了。

代码演示

代码

package dragon;

/**
 * 分析这一个方法，目前水平有限，先从最简单的做起！
 * */

//		   public final void writeInt(int v) throws IOException {
//        out.write((v >>> 24) & 0xFF);
//        out.write((v >>> 16) & 0xFF);
//        out.write((v >>>  8) & 0xFF);
//        out.write((v >>>  0) & 0xFF);
//        incCount(4);
//    }


//上面这段代码是将一个32位整型，写入输出流。
//并且是将32位整型分为4个部分，每次写入8位。
//这是Java的特性。


public class DataOutputStreamAnalysis {
	public static void main(String[] args) {
		DataOutputStreamAnalysis analysis = new DataOutputStreamAnalysis();
		analysis.analysis(65535);
	}
	
	public void analysis(int number) {
		int number1, number2, number3, number4;  //后面的数字表示是一个32位整型的第几个8位。
		number1 = (number >>> 24) & 0xFF;    
		number2 = (number >>> 16) & 0xFF;    
		number3 = (number >>> 8) & 0xFF;
		number4 = (number >>> 0) & 0xFF;
		
		
		
		System.out.println(this.format(Integer.toBinaryString(number))+"  原始数据"); 
		System.out.println(this.format(Integer.toBinaryString(number1))+"  原始数据第一个8位");
		System.out.println(this.format(Integer.toBinaryString(number2))+"  原始数据第二个8位");
		System.out.println(this.format(Integer.toBinaryString(number3))+"  原始数据第三个8位");
		System.out.println(this.format(Integer.toBinaryString(number4))+"  原始数据第四个8位");
	}
	
	/**
	 * 输入一个二进制字符串，将其格式化，因为整型是
	 * 占32位的，但是转换成的二进制字符串，并没有32位*/
	public String format(String bstr) {
		int len = bstr.length();
		StringBuilder sb = new StringBuilder(35);
		for (int i = 0; i < 32-len; i++) {
			sb.append("0");
		}
		sb.append(bstr);
		sb.insert(8, " ");
		sb.insert(17, " ");
		sb.insert(26, " ");   //前面插入一个字符后，所有字符的索引都变了！
		return sb.toString();
	}
}

结果

说明： 这里没有考虑负数的情况，不过都是一样的，只是负数的表示相对麻烦一点而已。只要理解正数，负数也不是什么问题了。

位运算的应用

1.判断 int 型变量x是奇书还是偶数

将变量 x 和 1 进行按位与运算，如果结果为 0，则变量x为偶数，否则为奇数。

if (x & 1 ==0) 
	System.out.println("x是偶数");
if (x & 1 == 1) 
    System.out.println("x是奇数");

说明：这个还是很好理解的，因为偶数的最后移位一定是 0。（二进制表示）

2.取 int 型变量 x 的第 k 位 将变量 x 右移 k 位，再和1进行逻辑与运算，结果即为变量 x 第 k 位的二进制值。

表达式：x >> k & 1 (推荐加上括号，这样显得更加清晰明了。)

3.将 int 型变量 x 的第 k 位置 1 将 1 左移 k 位，再和变量 x 进行逻辑或运算，则将变量 x 的第 k 位置 1，其它位保持不变。

表达式：x = x | (1 << k)

4.将 int 型变量的第 k 位 清 0 将 1 左移 k 位再取反，将其结果再和变量 下进行逻辑运算，则将变量 x 的第 k 位清 0，其它位保持不变。

表达式位：x = x & ~(1 << k)

5.计算两个整数的平均值

表达式位：(x & y) + ((x ^ y) >> 1)

6.对于大于1 的整数 x，判断 x 是不是 2 的幂

if (x & (x-1) == 0)
	System.out.println("x是2的次幂");

7.将一个数乘以 2 的 n 次幂

表达式：x = x << n

例如：将 x 扩大 2 倍：x = x << 1

推荐使用位运算的原因：

位运算的速度是快于算术运算的，因为位运算需要的指令少，执行所需要的时间就少，会显得很快，但是只有在大量执行的情况下才能看出来位运算的优点。毕竟现在的计算机已经越来越快了。