Java特殊运算符及其应用

Bertha 。 2023-10-16 09:51 71阅读 0赞

--------------------

### theme: channing-cyan ###

![在这里插入图片描述][watermark_image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTQw_g_se_x_0_y_0_t_100]

## 一、前言 ##

当涉及位操作和位级运算时，Java 提供了一组特殊的运算符，即左移(`<<`)和右移(`>>`)运算符。这些运算符与普通的算术和逻辑运算符不同，它们操作的是数字的二进制位。位操作是计算机底层编程中常用的技巧，能够高效地执行一些操作，如数值乘除以2的幂次方，处理标志位，以及在一些位级编码场景下进行数据处理。

左移和右移运算符用于将二进制位向左或向右移动指定的位数，从而实现对数值的快速操作。左移操作将数值的二进制表示向左移动，等效于乘以2的幂次方，而右移操作将数值的二进制表示向右移动，等效于除以2的幂次方。这些运算符在处理大数据集、位掩码、网络协议以及嵌入式系统等领域都具有广泛的应用。

然而，需要注意的是，位操作并不常见于一般的业务逻辑编程，而更多地出现在需要对二进制数据进行处理的底层系统级编程中。在使用位操作时，应该清晰地理解位操作的语义，防止出现意外错误。同时，要考虑到可读性和代码维护性，不应滥用位操作，而是在合适的场景下使用，以提高代码的效率和性能。

## 二、Java的左移、右移运算符 ##

*  `<<` 是左移；如：`<<1`就是左移一位；`<<2`就是左移两位
 *  `>>”`是右移；如：`>>1`就是右移一位；`>>2`就是右移两位

**记忆技巧：** 尖括号的方向朝向哪就是哪移。

左移就是将目标转换为二进制后，从右向左移动一位，右边补零，左边移除。 ![在这里插入图片描述][watermark_image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTA2_g_se_x_0_y_0_t_100]

右移就是将目标转换为二进制后，从左向右移动一位，左边补零，右边移除。。 ![在这里插入图片描述][watermark_image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTA2_g_se_x_0_y_0_t_100 1]

## 三、Java中左移、右移使用场景 ##

可以代替乘(左移)和除(右移)，如下：

\`\`\`java package zd.hjd.test.synchronizedtest;

public class MyTestMain \{ public static void main(String\[\] args) \{ System.out.println(4\*2); System.out.println(4<<1); System.out.println(4/2); System.out.println(4>>1); \} \}

\`\`\`

输出结果：

`java 8 8 2 2`

## 四、使用左移、右移优点和弊端 ##

### 4.1 优点： ###

使用左移(<<)和右移(>>)的好处在于它们可以在某些情况下提供更高效的数值操作，特别是涉及到2的幂次方的操作。以下是一些使用左移右移的好处：

1.  **速度优势：** 左移和右移操作是位级操作，它们在底层直接对二进制数据进行移动，相比于使用乘除法运算符，位移操作可以更快地完成数值的变换。这在一些需要高效计算的场景下尤为重要。
2.  **数值操作：** 左移和右移可以用于实现数值的倍增或减少。例如，将一个数值左移n位，等效于将其乘以2的n次方；将一个数值右移n位，等效于将其除以2的n次方。
3.  **位掩码操作：** 在位掩码操作中，可以使用左移来设置位，使用右移来读取位。这在一些标志位、开关状态的处理中非常有用。
4.  **位级编码：** 在某些编码和解码场景下，需要将信息编码到特定的位上，或者从特定位上解码信息。左移和右移操作可以用于实现这种位级的数据处理。
5.  **嵌入式系统：** 在嵌入式系统中，资源有限，效率至关重要。位移操作可以提供更紧凑和高效的代码，减少资源消耗。

### 4.2 弊端： ###

1.  **可读性下降：** 左移和右移操作对于非熟悉位操作的开发者来说可能不太直观，代码的可读性可能会下降，使得代码难以理解和维护。
2.  **位移越界：** 在使用右移操作时，如果对有符号的整数进行右移，可能会导致符号位扩展，从而改变数值的意义。例如，对于负数的右移可能会导致意外的结果。
3.  **移位溢出：** 如果使用左移操作将某个位移到超出数据类型的范围，就会发生移位溢出，导致结果不正确。
4.  **代码依赖于底层实现：** 使用位操作可能会使代码与底层硬件或编译器的实现相关，导致代码的可移植性下降。
5.  **复杂逻辑错误：** 如果没有正确地处理边界情况，可能会导致复杂的逻辑错误，尤其是在涉及位级运算的复杂算法中。
6.  **难以维护：** 过度使用位操作可能使代码变得难以理解和维护，特别是在逻辑复杂的情况下。
7.  **代码不易调试：** 位操作可能会导致一些难以调试的问题，因为它们涉及底层位级表示，而不是更常见的数值操作。

## 五、使用左移、右移注意事项 ##

1.  带符号左移需要考虑移动后数字变为负数的情况，因为二进制的首位为符号位。
2.  从上述中我们知道，左移就是将一个数字的二进制编码向左边移动，右边补零，右移相反。如果一个`int`类型的数字向左移32位结果是不是就是0呢？答案是错误的。当int类型数字进行左移，并且左移位数大于等于32位时，会先与32求余，然再进行移动。**32%32 = 0**，使用`int`类型向左移32位相当于不移动，`byte`和`short`类型同理。`long`类型是64位。

`java public class MoveLeft { public static void main(String[] args) { int a = 10; byte b = 50; short s = 60; System.out.println(a >> 1);// 5 System.out.println(a << 1);// 20 System.out.println(a << 32);// 10 System.out.println(a << 33);// 20 System.out.println(b << 32);// 50 System.out.println(b << 33);// 100 System.out.println(s << 32);// 60 System.out.println(s << 33);// 120 long longValue = 733183670L; System.out.println("longValue：" + (longValue));//打印longValue System.out.println("longValue左移1位：" + (longValue << 1));//左移1位 System.out.println("longValue左移8位：" + (longValue << 8));//左移8位 //当long类型左移位数大于等于64位操作时，会先求余后再进行移位操作 System.out.println("longValue左移64位：" + (longValue << 64));//求余为64%64=0，相当于左移0位(不移位) System.out.println("longValue左移72位：" + (longValue << 72));//求余为72%64=8，相当于左移8位 System.out.println("longValue左移128位：" + (longValue << 128));//求余为128%64=0，相当于左移0位(不移位) } }`

1.  double和float不能使用位移来操作，编译不通过。 ![在这里插入图片描述][watermark_image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTMz_g_se_x_0_y_0_t_100]

## 六、无符号右移`>>>` ##

无符号右移和右移原理一样，只不过是右移后在左边补零后舍弃掉符号位。如下所示：

`java public class MoveLeft { public static void main(String[] args) { int a = -10; System.out.println(a >>> 1);// 结果是 2147483643 } }`

执行的过程如下：

`java //向得出-10的二进制，需要得到10的二进制 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ‭‭1010‬‬// 10 二进制如下 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0101// 10 的反码 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110 //反码+1 就为 -10 的二进制 0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011// 右移一位 //转换为10进制 为 2147483643`

*记住Java中没有无符号左移。因为左移操作符 `<<`总是保持符号位，即使在移动过程中可能会导致符号位变为1。如果需要进行无符号左移操作，可以使用无符号右移操作 `>>>`来实现。因为在大多数情况下，无符号左移和无符号右移的效果是一样的，都是向左或向右移动指定位数，只是填充的位不同。*

## 七、Java中的其它特殊运算符 ##

### 7.1 `&` ###

**按位与运算** `&`是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进制位`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。参与运算的数以补码方式出现。

**使用场景：**

*  **位操作：** 位运算符在底层数据处理和优化中很常见，例如对数据进行位掩码、位清除、位设置等操作。
 *  **权限控制：** 在权限控制中，可以使用位运算来对不同权限进行组合或判断。
 *  **位集合：** 将每个位视为一个标志，可以通过按位与运算来检查是否设置了特定的标志位。

例如，如果有一个**整数 a** 表示某个权限的掩码，另一个**整数 b** 表示用户的权限，通过 `a & b` 运算可以判断用户是否具有某个权限。

### 7.2 `|` ###

**按位或运算** `|`是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进制位相或。只要两数的二进制位中有一个是1，那么按位或的结果就是1；只有二进制两位都为0时，结果为0。

**使用场景：**

*  **位操作：** 位运算符在底层数据处理和优化中很常见，例如对数据进行位标记、位组合等操作。
 *  **权限控制：** 在权限控制中，可以使用位运算来对不同权限进行组合或判断。
 *  **位集合：** 将每个位视为一个标志，可以通过按位或运算来设置特定的标志位。

例如，如果有一个**整数 a** 表示某个权限的掩码，另一个**整数 b** 表示用户的权限，通过 `a | b`运算可以将用户的权限添加到掩码中。

### 7.3 `^` ###

**按位异或运算** `~`是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进制位相异或。两个数字的二进制位相同则取0，不同值则取1。

异或运算符具有以下的性质：

(1)交换律： (2)结合律：

`java (a^b)^c == a^(b^c)`

(3)对于任何数X，都有：

`java x^x=0，x^0=x`

(4)自反性

`java A XOR B XOR B = A xor 0 = A`

**使用场景：**

异或运算最常见于多项式除法，不过它最重要的性质还是**自反性**：`A XOR B XOR B = 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。这是一个神奇的性质，利用这个性质，可以获得许多有趣的应用。

例如，大部分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) ：

`java 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)`

`java public class MyTestMain { public static void main(String[] args) { int a = 5; int b = 6; a = a^b; b = a^b; a = a^b; System.out.println("a:" + a); System.out.println("b:" + b); } }`

输出结果：

`java a:6 b:5`

#### **google的一个面试题：** ####

**一个数组存放若干整数，一个数出现奇数次，其余数均出现偶数次，找出这个出现奇数次的数？**

上面的问题可以使用**按位异或运算**巧妙解决：

`java public class MyTestMain { public static void main(String[] args) { int[] nums = {2, 2, 3, 3, 4, 4, 5}; int returnValue = 0; for (int num : nums) { returnValue ^= num; } System.out.println(returnValue); } }`

输出结果：

`java 5`

[watermark_image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTQw_g_se_x_0_y_0_t_100]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/9525b878f004bc5ab8050c3e824fbfdf.png?x-oss-process=image/watermark,image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTQw,g_se,x_0,y_0,t_100
[watermark_image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTA2_g_se_x_0_y_0_t_100]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/dbf6bb0d4471227b9d7cc1cda03dc509.png?x-oss-process=image/watermark,image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTA2,g_se,x_0,y_0,t_100
[watermark_image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTA2_g_se_x_0_y_0_t_100 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/64f7c3487591b0f8126aea7301e21662.png?x-oss-process=image/watermark,image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTA2,g_se,x_0,y_0,t_100
[watermark_image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTMz_g_se_x_0_y_0_t_100]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/7485205b57f30b1bbd2ab6451d091235.png?x-oss-process=image/watermark,image_bG9nby9jc2RuXzEucG5nP3gtb3NzLXByb2Nlc3M9aW1hZ2UvcmVzaXplLGhfMTMz,g_se,x_0,y_0,t_100