Java基础(四)：位运算符详解

Java基础系列文章

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Java基础(四)：位运算符详解

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引言

  Java位运算符直接操作二进制位（bit），适用于整数类型（byte, short, int, long, char），不兼容浮点数（float, double）。其核心价值在于底层计算优化和高效算法实现（如位图、加密算法）。Java共支持7种位运算符。

一、基本位运算符

1、按位与（&）

• 规则：两操作数对应位均为1时结果为1，否则为0
  • 任何位与0相与结果为0（屏蔽效果）
  • 任何位与1相与保留原值（透传效果）

int a = 60;         // 二进制: 0011 1100
int b = 13;         // 二进制: 0000 1101
int result = a & b; //  结果: 0000 1100 (十进制12)

• 典型应用：掩码操作（提取特定位）

// 提取最低4位
int value = 0b10101100; // 原数值
int mask = 0b00001111;  // 掩码，表示只保留最低4位
int lowerNibble = value & mask; // 结果: 1100 (十进制12)

2、按位或（|）

• 规则：两操作数对应位至少一个为1时结果为1

int a = 60;         // 	二进制：0011 1100
int b = 13;         // 	二进制：0000 1101
int result = a | b; //   结果：0011 1101 (十进制61)

• 典型应用：组合位标志

final int READ    = 1;  // 0001 -> 表示读取权限
final int WRITE   = 2;  // 0010 -> 表示写入权限
final int EXECUTE = 4;  // 0100 -> 表示执行权限
final int OTHER   = 8;  // 1000 -> 表示其他权限int permissions = READ | WRITE; // 0011 (3)，表示 同时拥有读取和写入权限

3、按位异或（^）

• 规则：两操作数对应位不同时结果为1，相同时为0
  • 归零律：a ^ a = 0
  • 恒等律：a ^ 0 = a
  • 交换律：a ^ b = b ^ a
  • 结合律：(a ^ b) ^ c = a ^ (b ^ c)
  • 可逆性：a ^ b ^ b = a（可应用于简单加密）

int a = 60;    		// 二进制：0011 1100
int b = 13;         // 二进制：0000 1101
int result = a ^ b; //  结果：0011 0001 (十进制49)

• 典型应用：交换两个变量（无需临时变量）

int x = 10, y = 20;
x = x ^ y;
// y转换为x值
y = x ^ y;  // y = (x^y)^y = x
// x转换位y值
x = x ^ y;  // x = (x^y)^x = y

4、按位取反（~）

• 规则：翻转操作数的每一位，0→1, 1→0（包括符号位）

int a = 5;       // 二进制：0000 0101
int result = ~a; // 结果： 1111 1010 (十进制-6，快速计算-a-1=-6)

• 典型应用1：快速计算补码 - 负数的二进制表示

// 手动计算补码（求负数的二进制表示）
int positive = 42; // 0010 1010
int negative = ~positive + 1; // 1101 0110 (补码形式)System.out.println("+42: " + Integer.toBinaryString(positive)); // 0010 1010
System.out.println("-42: " + Integer.toBinaryString(negative)); // 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1101 0110

• 典型应用2：整数取反操作等价于：~x = -x - 1

正数： 42 = 00000000 00000000 00000000 00101010
取反：~42 = 11111111 11111111 11111111 11010101 = -43负数：   -42 = 11111111 11111111 11111111 11010110
取反：~(-42) = 00000000 00000000 00000000 00101001 = 41

二、移位运算符

1、左移（<<）

• 规则：将二进制位向左移动指定位数，低位补0
• 效果：相当于乘以 $2^n$（n为移位位数）
• 3<<4 等价于 $3\times 2^4$ => 48
  
• -3<<4 等价于 $-3\times 2^4$ => -48
  

2、带符号右移（>>）

• 规则：将二进制位向右移动，高位补符号位（正数补0，负数补1）
• 效果：相当于除以 $2^n$（向下取整，相当于右侧溢出的位被丢弃）
• 69>>4 等价于 $69÷2^4=4.3125$ => 向下取整 => 4
  
• -69>>4 等价于 $-69÷2^4=-4.3125$ => 向下取整 => -5
  

3、无符号右移（>>>）

• 规则：右移时高位强制补0（负数可能变正数）
• >>和>>>比较
  • 相同点：都是向下取整，右侧溢出的位被丢弃
  • 不同点：>>>处理结果都是非负数
• 69>>>4 等价于 $69÷2^4=4.3125$ => 向下取整 => 4
  
• -69>>>4 结果：268435451
  

三、位运算高级技巧

1、高效乘除

// 乘以2的n次方
int multiplyByPowerOfTwo = num << n; // 除以2的n次方（整数除法）
int divideByPowerOfTwo = num >> n; 

2、奇偶判断

// 使用 &1 判断奇偶
boolean isEven = (num & 1) == 0; 

3. 快速取整（取模）

// 对2的n次方取模（比%运算快5-10倍）
int mod = value & ((1 << n) - 1);// 对256取模
int mod256 = value & 0xFF;  // 十六进制0xFF => 二进制1111 1111  ==> 十进制255// 对32取模
int mod32 = value & 0x1F;	// 十六进制0x1F => 二进制0001 1111  ==> 十进制31

4、位标志管理

// 定义标志位
final int FLAG_A = 1 << 0; // 二进制0001，十进制1
final int FLAG_B = 1 << 1; // 二进制0010，十进制2
final int FLAG_C = 1 << 2; // 二进制0100，十进制4// 设置标志
int flags = FLAG_A | FLAG_C; // 二进制0101，十进制5// 检查标志
boolean hasFlagB = (flags & FLAG_B) != 0; // 0101 & 0010 = 0000// 清除标志
flags &= ~FLAG_A; // 0101 & 1110 = 0100 结果对应FLAG_C，去掉了FLAG_A

四、性能对比实验

• 奇偶判断，传统方式与位运算方式性能比较（单位：亿次）

// 测试一亿次
int iterations = 100000000;// 传统方式
long start = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < iterations; i++) {boolean result = (i % 2) == 0;
}
long modTime = System.nanoTime() - start;// 位运算方式
start = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < iterations; i++) {boolean result = (i & 1) == 0;
}
long bitTime = System.nanoTime() - start;System.out.println("取模方式: " + modTime + " ns");
System.out.println("位运算方式: " + bitTime + " ns");
System.out.println("性能提升: " + (modTime - bitTime) * 100 / modTime + "%");

典型测试结果：

取模方式: 2188666 ns
位运算方式: 789709 ns
性能提升: 63%

五、注意事项

1、左移位位数的有效范围

• 官方规定：实际移位位数：对 int 取模 32，对 long 取模 64
• 理论int左移32位没有意义，所有位都被挤出去了，结果是 0

int x = 3;
x << 32; // 等价于 x << 0 (结果仍是 3)
x << 33; // 等价于 x << 1 (结果为 6)

2、运算符优先级陷阱

• 位运算符优先级低于比较运算符（如 ==、>）和算术运算符（+、-）
• 建议：始终用 () 明确优先级

int a = 5, b = 3, c = 2;
int r1 = a & b + c;   // 等价于 a & (b + c) = 5 & 5 = 5
int r2 = (a & b) + c; // (5 & 3) + 2 = 1 + 2 = 3

结语

  位运算符是Java高效编程的秘密武器。它们不仅提供接近硬件的操作能力，还能在算法优化、内存管理、网络通信等场景发挥关键作用。虽然现代JVM已高度优化，但在性能敏感领域（如高频交易、游戏引擎、大数据处理），合理使用位运算仍能带来显著提升。

黄金法则：当你在处理二进制数据、标志位集合或需要极致性能时，位运算应是首选工具。但在常规业务逻辑中，优先选择可读性更高的标准操作