移位运算符是最基本的运算符之一,几乎每种编程语言都包含这一运算符。移位操作中,被操作的数据被视为二进制数,移位就是将其向左或向右移动若干位的运算。
移位运算符在各种框架以及 JDK 自身的源码中使用还是挺广泛的,HashMap(JDK1.8) 中的 hash 方法的源码就用到了移位运算符:
static final int hash(Object key) {
int h;
// key.hashCode():返回散列值也就是hashcode
// ^:按位异或
// >>>:无符号右移,忽略符号位,空位都以0补齐
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
使用移位运算符的主要原因:
- 高效:移位运算符直接对应于处理器的移位指令。现代处理器具有专门的硬件指令来执行这些移位操作,这些指令通常在一个时钟周期内完成。相比之下,乘法和除法等算术运算在硬件层面上需要更多的时钟周期来完成。
- 节省内存:通过移位操作,可以使用一个整数(如 int 或 long)来存储多个布尔值或标志位,从而节省内存。
移位运算符最常用于快速乘以或除以 2 的幂次方。除此之外,它还在以下方面发挥着重要作用:
- 位字段管理:例如存储和操作多个布尔值。
- 哈希算法和加密解密:通过移位和与、或等操作来混淆数据。
- 数据压缩:例如霍夫曼编码通过移位运算符可以快速处理和操作二进制数据,以生成紧凑的压缩格式。
- 数据校验:例如 CRC(循环冗余校验)通过移位和多项式除法生成和校验数据完整性。。
- 内存对齐:通过移位操作,可以轻松计算和调整数据的对齐地址。
掌握最基本的移位运算符知识还是很有必要的,这不光可以帮助我们在代码中使用,还可以帮助我们理解源码中涉及到移位运算符的代码。
Java 中有三种移位运算符:
- << :左移运算符,向左移若干位,高位丢弃,低位补零。x << n,相当于 x 乘以 2 的 n 次方(不溢出的情况下)。
- >> :带符号右移,向右移若干位,高位补符号位,低位丢弃。正数高位补 0,负数高位补 1。x >> n,相当于 x 除以 2 的 n 次方。
- >>> :无符号右移,忽略符号位,空位都以 0 补齐。
虽然移位运算本质上可以分为左移和右移,但在实际应用中,右移操作需要考虑符号位的处理方式。
由于 double,float 在二进制中的表现比较特殊,因此不能来进行移位操作。
移位操作符实际上支持的类型只有int和long,编译器在对short、byte、char类型进行移位前,都会将其转换为int类型再操作。
如果移位的位数超过数值所占有的位数会怎样?
当 int 类型左移/右移位数大于等于 32 位操作时,会先求余(%)后再进行左移/右移操作。也就是说左移/右移 32 位相当于不进行移位操作(32%32=0),左移/右移 42 位相当于左移/右移 10 位(42%32=10)。当 long 类型进行左移/右移操作时,由于 long 对应的二进制是 64 位,因此求余操作的基数也变成了 64。
也就是说:x<<42等同于x<<10,x>>42等同于x>>10,x >>>42等同于x >>> 10。
左移运算符代码示例:
int i = -1;
System.out.println("初始数据:" + i);
System.out.println("初始数据对应的二进制字符串:" + Integer.toBinaryString(i));
i <<= 10;
System.out.println("左移 10 位后的数据 " + i);
System.out.println("左移 10 位后的数据对应的二进制字符 " + Integer.toBinaryString(i));
输出:
初始数据:-1
初始数据对应的二进制字符串:11111111111111111111111111111111
左移 10 位后的数据 -1024
左移 10 位后的数据对应的二进制字符 11111111111111111111110000000000
由于左移位数大于等于 32 位操作时,会先求余(%)后再进行左移操作,所以下面的代码左移 42 位相当于左移 10 位(42%32=10),输出结果和前面的代码一样。
int i = -1;
System.out.println("初始数据:" + i);
System.out.println("初始数据对应的二进制字符串:" + Integer.toBinaryString(i));
i <<= 42;
System.out.println("左移 10 位后的数据 " + i);
System.out.println("左移 10 位后的数据对应的二进制字符 " + Integer.toBinaryString(i));
右移运算符使用类似,篇幅问题,这里就不做演示了。