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Java中特殊运算符及其应用详解

2024-11-08 来源：个人技术集锦

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。

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。。

三、Java中左移、右移使用场景

可以代替乘(左移)和除(右移)，如下：

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：

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：

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。

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）
    }
}

3.double和float不能使用位移来操作，编译不通过。

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：

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：

//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：

(a^b)^c == a^(b^c)

（3）对于任何数X，都有：

x^x=0，x^0=x

（4）自反性

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） ：

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)

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：

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：

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：

5

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