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Java中的二進位及位元運算詳解

零下一度
發布: 2017-07-16 16:58:51
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1.表示方法:  

在Java語言中,二進位數使用補碼表示,最高位元為符號位,正數的符號位元為0,負數為1。補碼的表示需要滿足以下要求。  

(1)正數的最高位元為0,其餘各位代表數值本身(二進位數)。  

(2)對於負數,透過對該數絕對值的補碼按位取反,再對整個數加1。

2.位元運算子  

位元運算表達式由運算元和位元運算子組成,實作對整數型別的二進制數進行位元運算。位元運算子可以分為邏輯運算子(包括~、&、|和^)及移位運算子(包括>>、<<和>>>)。 

1)左移位運算子(<<)能將運算子左邊的運算物件向左移動運算子右邊指定的位元數(在低位元補0)。 

2)「有符號」右移位運算子(>>)則將運算子左邊的運算物件向右移動運算子右邊指定的位數。 「有符號」右移位運算子使用了「符號擴展」:若值為正,則在高位插入0;若值為負,則在高位插入1。

3)Java也加入了一個「無符號」右移位運算子(>>>),它使用了「零擴充」:無論正負,都在高位插入0。這一運算子是C或C++沒有的。 

4)若對char,byte或short進行移位處理,那麼在移位進行之前,它們會自動轉換成一個int。 只有右邊的5個低位才會用到。這樣可防止我們在一個int數裡移動不切實際的位數。 若對一個long值進行處理,最後得到的結果也是long。此時只會用到右邊的6個低位,防止移動超過long值裡現成的位數。 但在進行「無符號」右移位時,也可能遇到一個問題。若對byte或short值進行右移位運算,得到的可能不是正確的結果(Java 1.0和Java 1.1特別突出)。 它們會自動轉換成int類型,並進行右移位。但「零擴展」不會發生,所以在那些情況下會得到-1的結果。 

 二進位是計算技術中廣泛採用的數制。二進位資料是用0和1兩個數位來表示的數。它的基數為2,進位規則是“逢二進一”,借位規則是“借一當二”,由18世紀德國數理哲學大師萊布尼茲發現。目前的電腦系統使用的基本上是二進位系統,資料在電腦中主要是以補碼的形式儲存的。電腦中的二進位則是一個非常微小的開關,用「開」來表示1,「關」來表示0。

  那麼Java中的二進位又是怎麼樣的呢?讓我們一起來揭開它神秘的面紗吧。


一、Java內建的進位轉換

有關十進位轉為二進位,和二進位轉為十進位這種基本的運算方法這裡就不展開講了。

在Java中內建了幾個方法來幫助我們進行各種進位的轉換。如下圖所示(以Integer整形為例,其他類型雷同):

#1,十進位轉換為其他進位:


1 二进制:Integer.toHexString(int i);2 八进制:Integer.toOctalString(int i);3 十六进制:Integer.toBinaryString(int i);
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2,其他進位轉換為十進位:

1 二进制:Integer.valueOf("0101",2).toString;2 八进制:Integer.valueOf("376",8).toString;3 十六进制:Integer.valueOf("FFFF",16).toString;
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3,使用Integer類別中的parseInt()方法和valueOf()方法都可以將其他進位轉換為10進位。

不同的是parseInt()方法的回傳值是int類型,而valueOf()傳回值是Integer物件。


二、基本的位元運算

二進位可以和十進位一樣加減乘除,但是它還有更簡單的運算方式就是-位元運算。例如在計算機中int型別的大小是32bit,可以用32位的二進制數來表示,所以我們可以用位元運算來對int型別的數值進行計算,當然你也可以用平常的方法來計算一些數據,這裡我主要為大家介紹位運算的方法。我們會發現位元運算有著普通運算方法不可比擬的力量。 更多位元運算應用請轉移到我下篇部落格文章《神奇的位元運算》

首先,看一下位元運算的基本運算子

優點:

  • #特定情況下,計算方便,速度快,被支援面廣

  • #如果用算數方法,速度慢,邏輯複雜

  • 位元運算不限於一種語言,它是電腦的基本運算方法

#>>>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

(一)由位元與&

兩位全為1,結果才為1

0&0=0;0&1= 0;1&0=0;1&1=1

例如:51&5 即0011 0011 & 0000 0101 =0000 0001 因此51&5=1.

特殊用法

(1)清零。 如果想要將一個單元清零,即使其全部二進位位元為0,只要與一個各位都是零的數值相與,結果為零。

(2)取一個數字中指定位元。

例如:設X=10101110,取X的低四位,用X&0000 1111=0000 1110即可得到。

方法:找一個數,對應x要取的位,該數的對應位為1,其餘位為零,此數與x進行「與運算」可以得到x中的指定位。

(二)位元或 |

只要有一個為1,結果就為1。

0|0=0; 0|1=1;1|0=1;1|1=1;

例如:51|5 即0011 0011 | 0000 0101 =0011 0111 因此51|5=55

 特殊用法

常用來對一個資料的某些位置1。

方法:求一個數,對應x要置1的位,數的對應位為1,其餘位為零。此數與x相或可使x中的某些位置1。

(三)異或^

兩個對應位元為「異」(值不同),則該位元結果為1,否則為0

0^0=0; 0^1=1; 1^0=1; 1^1=0;

例如:51^5 即0011 0011 ^ 0000 0101 =0011 0110 因此51^ 5=54

特殊用法

(1)  與1相異或,使特定位元翻轉

方法:找一個數,對應X要翻轉的位,該數的對應為1,其餘位為零,此數與X對應位異或即可。

例如:X=1010 1110,使X低四位翻轉,用X^0000 1111=1010 0001即可得到。

(2)  與0相異或,保留原值

#例如:X^0000 0000 =1010 1110

(3)兩個變數交換值

1.借助第三個變數來實現

C=A;A=B;B=C;

2.利用加減法實現兩個變數的交換

 A=A+B;B=A-B;A=A-B;

3.用位異或運算來實現,也是效率最高的

原理:一個數異或本身等於0 ;異或運算子合交換律

A=A^B;B=A ^B;A=A^B

(四)取反與運算~

對一個二進制數位取反,即將0變為1,1變0

~1=0 ;~0=1

(五)左移<<

將一個運算物件的各二進位位元全部左移若干位(左邊的二進位位丟棄,右邊補0)

例如: 2<<1 =4    10<<1=100

#若左移時捨棄的高位不包含1,則每左移一位,相當於該數乘以2。

例如:

       11(1011)<<2= 0010 1100=22

       11(0000000 ##       11(0000000 ##       11(0000000110100100100100100101010101010101001001001010122120

(六)右移>>

將一個數的各二進位位全部右移若干位,正數左補0,負數左補1,右邊丟棄。 若右移時捨高位不是1(即不是負數),操作數每右移一位,相當於該數除以2。

左補0還是補1得看被移數是正還是負。

例如:4>>2=4/2/2=1

#        -14(即1111 0010)>>2 =1111 1100=-4

#(七)無符號右移運算>>>

各位向右移指定的位數,右移後左邊空出的位元用零來填滿,移除右邊的位元被丟棄。

例如:-14>>>2

(即11111111 11111111 11111111 11110010)>> (

00

111111 11111111 11111111 11111100)=1073741820

#>>>>>&&>>gt; ;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> ;>>>>>>>>>>>>>>>>>

#上述提到的負數,他的二進位表示和正數略有不同,所以在位運算的時候也與正數不同。

負數以其正數的補碼形式表示

以上述的-14為例,來簡單闡述原碼、反碼和補碼。

原碼

一個整數依照絕對值大小轉換成的二進制數稱為原碼

#例如:00000000 00000000 00000000 00001110 是14的原碼。

反碼

將二進位數數字取反,所得到的新二進制數稱為原二進制數的反碼。

例如:將00000000 00000000 00000000 00001110

每位取反,

注意:這兩者互為反碼

#補碼

反碼加1稱為補碼

11111111 11111111 11111111 1111

0001 +1=

11111111 11111111 111111111111111 11111111111111111011112111111101121111121111211211111211111121111121111112 #現在我們得到-14的二進位表示,現在將它左移

#-14(11111111 11111111 11111111 11110010

)<<2 =

#111110

)<<2 =#111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111112 11111111 110010

00

=?

分析:這個二進位的首位為1,表示是補碼形式,現在我們要將補碼轉換為原碼(它的正值)

跟原碼轉換為補碼相反,將補碼轉換為原碼的步驟:

    #補碼減1得到反碼:(11000111)前24位為1,此處省略


反碼取反得到原碼(即該負數的正值)(00111000)

計算正值,正值為56

#取正值的相反數,得到結果-56

####結論:-14<<2 = -56########三、Java中進位運算######Java中二進位用的多嗎? ######平常開發中「進位轉換」和「位元操作」用的不多,Java處理的是高層。 ######在跨平台中使用的較多,如:檔案讀寫,資料通訊。 ######來看一個場景:###############如果客戶機和伺服器都是用Java語言寫的程序,那麼當客戶機發送物件數據,我們就可以把要傳送的資料序列化serializable,伺服器端得到序列化的資料之後就可以反序列化,讀出裡面的物件資料。 ###

隨著客戶機存取量的增加,我們不考慮伺服器的效能,其實一個可行的方案就是把伺服器的Java語言改成C語言。

C語言作為底層語言,反映速度都比Java語言要快,而此時如果客戶端傳遞的還是序列化的數據,那麼伺服器端的C語言將無法解析,怎麼辦呢?我們可以把資料轉為二進位(0,1),這樣的話伺服器就可以解析這些語言。

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Java中基本資料類型有以下四種:

  1. Int資料型態:byte(8bit,-128~127)、short(16bit)、int(32bit)、long(64bit)

  2. float資料型態:單一精確度(float,32bit )、雙精確度(double,64bit)

  3. boolean類型變數的取值有true、false (都是1bit)

  4. char資料類型:unicode字符,16bit

#對應的類別類型:

##Integer、 Float、Boolean、Character、Double、Short、Byte、Long

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(一)資料類型轉為位元組

例如:int型8143(00000000 00000000 00011111 11001111)

=>byte[] b=[-49,31,0,0]

# #第一個(低端)位元組:8143>>0*8 & 0xff=(11001111)=207(或有符號-49)

第二個(低端)位元組:8143> ;>1*8 &0xff=(00011111)=31

第三個(低階)位元組:8143>>2*8 &0xff=00000000=0

第四個(低階)位元組:8143>>3*8 &0xff=00000000=0

 

我們注意到上面的(低階)是從右往左開始的,那什麼是低端呢?我們從大小端的角度來說明。

小端法(Little-Endian)

位元組排放在記憶體的位址端即該值的起始位址,位元組排位在記憶體的位址端##大端法(Big-Endian)

位元組排放在記憶體的

位址端即該值的起始位址,位元組排位在記憶體的位址端 

為什麼會有大小端模式之分呢?

這是因為在電腦系統中,我們是以位元組為單位的,每個位址單元都對應一個位元組,一個位元組為8bit。但在C

語言中除了8bit的char之外,還有16bit的short型,32bit的long型(要看具體的編譯器),另外,對於位數大於8位元的處理器,例如16位元或32位元的處理器,由於暫存器寬度大於一個位元組,那麼必然存在著一個如果將多個位元組安排的問題。因此就導致了大端儲存模式和小端儲存模式。例如一個16bit的short型x,在記憶體中的位址為0x0010,x的值為0x1122,則0x11為高字節,0x22為低位元組。對於大端模式,就將0x11放在低位址中,即0x0010中,0x22放在高位址中,即0x0011中。小端模式,剛好相反。我們常用的X86結構是小端模式,而KEIL C51則為大端模式。很多的ARM,DSP都是小端模式。有些ARM處理器還可以由硬體來選擇是大端模式還是小端模式。 例如:32bit的數0x12 34 56 78(十二進位)

在Big-Endian模式CPU的存放方式(假設從位址0x4000開始存放)為

#記憶體位址

0x4000

0x4001

0x4002

0x4003

存放内容

0x78

0x56

0x34

0x12

在Little-Endian模式CPU的存放方式(假设从地址0x4000开始存放)为

内存地址

0x4000

0x4001

0x4002

0x4003

存放内容

0x12

0x34

0x56

0x78

 (二)字符串转化为字节

1.字符串->字节数组


1 String s;2 byte[] bs=s.getBytes();
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2.字节数组->字符串


1 Byte[] bs=new byte[int];2 String s =new String(bs);或3 String s=new String(bs,encode);//encode指编码方式,如utf-8
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>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

两种类型转化为字节的方法都介绍了,下面写个小例子检验一下:


 1 public class BtyeTest { 2     /* 3      * int整型转为byte字节 4      */ 5     public static byte[] intTOBtyes(int in){ 6         byte[] arr=new byte[4]; 7         for(int i=0;i<4;i++){ 8             arr[i]=(byte)((in>>8*i) & 0xff); 9         }10         return arr;11     }12     /*13      * byte字节转为int整型14      */15     public static int bytesToInt(byte[] arr){16         int sum=0;17         for(int i=0;i<arr.length;i++){18             sum+=(int)(arr[i]&0xff)<<8*i;19         }20         return sum;21     }22     public static void main(String[] args) {23         // TODO Auto-generated method stub24         byte[] arr=intTOBtyes(8143);25         for(byte b:arr){26             System.out.print(b+" ");27         }28         System.out.println();29         System.out.println(bytesToInt(arr));30         31         //字符串与字节数组32         String str="云开的立夏de博客园";33         byte[] barr=str.getBytes();34         35         String str2=new String(barr);36         System.out.println("字符串转为字节数组:");37         for(byte b:barr){38             System.out.print(b+" ");39 40         }41         System.out.println();42 43         System.out.println("字节数组换位字符串:"+str2);44         45          46     }47 48 }
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运行结果:


结束语:最近偷懒了,没有好好学习,好几天没写文了,哎,还请大家多多监督!

以上是Java中的二進位及位元運算詳解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章!

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