Java位元運算範例程式碼分析

位元運算

很久以前學習過位元運算，但是很久不用，感覺都忘得差不多了。最近看了幾處位運算的程式碼，發現都看不懂了，哈。也是時候回來補一補基礎了。

程式中的所有數字在電腦記憶體中都是以二進位的形式儲存的。位元運算就是直接對整數在記憶體中的二進位位元進行操作。

位元運算的運算子：

#運算子	意義
&	按位元與
|	位元或
~	按位元取反
^	以位元異或
	左移
>>	帶符號右移
>> ;>	無符號右移

這些算是很基礎的知識了，但是太久不用，還是難免會遺忘了，在編碼的同時，可以多多使用！

Talk is cheap, show me the code.

#說明：單獨討論這些確實是很難看到應用的地方，如果有不太清楚的可以去看看其他人的總結。

我們以一個程式碼來看看位元運算的應用：

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);
}

這段程式碼是DataOutputStream 類別中的一個方法，用來將一個int 型的整數寫入流中。這個方法的命名是很有趣的，它和 OutputStream 中的 public abstract void write(int b) throws IOException 這個方法是完全不同的。這個方法的參數似乎是表示它可以將一個 int 型整數寫入流中，但是方法的功能不是靠猜測的，而是要看方法的描述。

public abstract void write(int b) throws IOException

API 中的介紹：

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.

它是將一個特定的位元組寫入流中，我們知道一個int型變數佔32位，一個byte佔8位，所以一個小於256（2^8）的int型整數和byte型整數的最後8位是相同的。

因此這個方法是寫入一個int型變數的最低8位，而將剩下的24位忽略。使用這個方法的時候，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，將一個int型的變數完整的寫入流中，並不是一個很簡單的問題。讓我們再回到上面這端程式碼： 它是連續四次寫入，每次寫入一個位元組的數據，這樣一個int型的變量，就被變成4個位元組寫入流中了。

out.write((v >>> 24) & 0xFF); 這個方法就是上面的寫入較低的8位數字，這個具體實作是對應的子類提供的。

我們來看看圖解： 一個簡單的與運算：可以看出運算的結果是保留了低8位，這個就是(v>>>24) & 0xFF運算的結果。

那麼要如何取得高8位元的值呢？這就要使用移位運算進行操作了：

透過進行移位操作，就可以取得每8位元的數據，然後再進行位元與& 運算，就可以將一個int型整數完全的寫入流中了。

程式碼示範

程式碼

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();
	}
}

結果

#說明： 這裡沒有考慮負數的情況，不過都是一樣的，只是負數的表示相對麻煩一點而已。只要理解正數，負數也不是什麼問題了。

位元運算的應用

1.判斷int 型變數x是奇書還是偶數

將變數x 和1 進行位元與運算，如果結果為0，則變數x為偶數，否則為奇數。

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

說明：這個還是很好理解的，因為偶數的最後移位一定是 0。 （二進位表示）

2.取int 型變數x 的第k 位 將變數x 右移k 位，再和1進行邏輯與運算，結果即為變數x 第k位的二進制值。

表達式：x >> k & 1 (建議加上括號，這樣顯得更加清晰明了。)

3.將int 型變數x 的第k 位置1 將1 左移k 位，再和變數x 進行邏輯或運算，則將變數x 的第k 位置1，其它位保持不變。

表達式：x = x | (1 << k)

#4.將int 型變數的第k 位元清除0 將1 左移k 位元再取反，將其結果再和變數下進行邏輯運算，則將變數x 的第k 位元清0，其它位元保持不變。

表達式位元：x = x & ~(1 << k)

#5.計算兩個整數的平均值

表達式位元：(x & y) ((x ^ y) >> 1)

6.對於大於1 的整數x ，判斷x 是不是2 的冪

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

7.將一個數乘以2 的n 次方

表達式：x = x

例如：將x 擴大2 倍：x = x

建議使用位元運算的原因：

位元運算的速度是快於算術運算的，因為位元運算需要的指令少，執行所需要的時間就少，會顯得很快，但是只有在大量執行的情況下才能看出來位運算的優點。畢竟現在的計算機已經越來越快了。

以上是Java位元運算範例程式碼分析的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！