04_位运算符（按位与 按位或 按位异或 按位取反 左移 右移 无符号右移）

一、位运算符概述

位运算符是对整数的二进制位进行直接操作的运算符，适用于byte、short、int、long等整数类型（char会先转换为整数再运算）。位运算直接操作内存中的二进制数据，执行效率高，常用于底层编程、算法优化、权限控制等场景。
Java 中的位运算符可分为两大类：

• 位逻辑运算符：按位与（&）、按位或（|）、按位异或（^）、按位取反（~）
• 位移运算符：左移（<<）、右移（>>）、无符号右移（>>>）

二、位逻辑运算符

2.1 按位与（&）

运算规则
对两个操作数的每一位进行与操作：
对应位都为1时，结果位为 1
否则为 0

操作数 1 位	操作数 2 位	结果位（操作数 1 & 操作数 2）
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

代码示例（以int类型为例，仅展示有效位）

int a = 3;  // 二进制：0000 0011
int b = 5;  // 二进制：0000 0101
int result = a & b;  // 二进制：0000 0001 → 十进制：1
System.out.println(result);  // 输出1

特点与应用

• 清零特性：与 0 按位与可将对应位清零（如num & 0xffffff00可清掉低 8 位）
• 保留指定位：与特定掩码按位与可保留需要的位（如num & 0xff保留低 8 位）
• 判断奇偶：num & 1 == 1 表示奇数（二进制最后一位为 1）

2.2 按位或（|）

运算规则
对两个操作数的每一位进行或操作：

• 对应位至少有一个为 1时，结果位为 1，否则为0

操作数 1 位	操作数 2 位	结果位（操作数 1 | 操作数 2）
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

代码示例

int a = 3;  // 二进制：0000 0011
int b = 5;  // 二进制：0000 0101
int result = a | b;  // 二进制：0000 0111 → 十进制：7
System.out.println(result);  // 输出7

特点与应用

• 置位特性：与 1 按位或可将对应位置为 1（如num | 0x0000000f可将低 4 位置 1）
• 权限控制：常用于组合多个权限标识（如READ | WRITE表示 “读 + 写” 权限）

2.3 按位异或（^）

运算规则
对两个操作数的每一位进行异或操作：

• 对应位不同时，结果位为 1
• 对应位相同时，结果位为 0

操作数 1 位	操作数 2 位	结果位（操作数 1 ^ 操作数 2）
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

代码示例

int a = 3;  // 二进制：0000 0011
int b = 5;  // 二进制：0000 0101
int result = a ^ b;  // 二进制：0000 0110 → 十进制：6
System.out.println(result);  // 输出6

特点与应用

• 还原特性：一个数异或同一个数两次会还原（a ^ b ^ b = a），可用于简单加密
• 交换变量：无需临时变量交换两个数（a = a ^ b; b = a ^ b; a = a ^ b;）
• 翻转位：与 1 异或可翻转对应位（0 变 1，1 变 0）

2.4 按位取反（~）

运算规则
对操作数的每一位取反（0 变 1，1 变 0），是单目运算符（仅需一个操作数）。

操作数位	结果位（~ 操作数）
0	1
1	0

代码示例

int a = 3;  // 二进制（32位）：00000000 00000000 00000000 00000011
int result = ~a;  // 二进制：11111111 11111111 11111111 11111100 → 十进制：-4
System.out.println(result);  // 输出-4

特点与注意事项

• 符号位影响：Java 中整数是有符号数（最高位为符号位：0 表示正数，1 表示负数），因此取反后正数会变为负数，负数会变为正数
• 计算公式：~n = -(n + 1)（如~3 = -4，~-4 = 3）
• 对byte、short等类型操作时，会先转换为int再取反

三、位移运算符

位移运算符是将整数的二进制位向指定方向移动的运算符，移动后空位用特定值填充。

3.1 左移（<<）

运算规则
将二进制位向左移动指定位数，右边空位补 0，左边溢出的高位丢弃。
语法：操作数 << 移动位数
代码示例

int a = 3;  // 二进制：0000 0011
int result = a << 2;  // 左移2位 → 0000 1100 → 十进制：12
System.out.println(result);  // 输出12

特点与应用

• 数学意义：a << b 等价于 a * 2^b（不溢出时），如3 << 2 = 3 * 4 = 12
• 效率优势：左移运算比乘法运算更高效（底层直接操作二进制）
• 注意溢出：当移动位数过大时，可能导致结果溢出（如1 << 31在int中会变为负数）

3.2 右移（>>，算术右移）

运算规则
将二进制位向右移动指定位数，左边空位补符号位（正数补 0，负数补 1），右边溢出的低位丢弃。
语法：操作数 >> 移动位数
代码示例

// 正数右移
int a = 6;  // 二进制：0000 0110
int result1 = a >> 2;  // 右移2位 → 0000 0001 → 十进制：1
System.out.println(result1);  // 输出1

// 负数右移（符号位补1）
int b = -6;  // 二进制（简化）：1111 1010
int result2 = b >> 2;  // 右移2位 → 1111 1110 → 十进制：-2
System.out.println(result2);  // 输出-2

特点与应用

• 数学意义：a >> b 等价于 a / 2^b（向下取整），如6 >> 2 = 1，-6 >> 2 = -2
• 保持原数的符号不变（正数仍为正数，负数仍为负数）

3.3 无符号右移（>>>，逻辑右移）

运算规则
将二进制位向右移动指定位数，左边空位补 0（无论原数正负），右边溢出的低位丢弃。
语法：操作数 >>> 移动位数
代码示例

// 正数无符号右移（与>>结果相同）
int a = 6;  // 二进制：0000 0110
int result1 = a >>> 2;  // 右移2位 → 0000 0001 → 十进制：1
System.out.println(result1);  // 输出1

// 负数无符号右移（左边补0，结果为正数）
int b = -6;  // 二进制（32位）：11111111 11111111 11111111 11111010
int result2 = b >>> 2;  // 右移2位 → 00111111 11111111 11111111 11111110 → 十进制：1073741822
System.out.println(result2);  // 输出1073741822

特点与应用

• 无符号特性：无论原数正负，移位后结果均为正数（左边补 0）
• 适用于无符号整数场景（如 IP 地址解析、哈希计算）
• 对byte、short操作时，会先转换为int再移位

四、位运算符优先级与结合性

4.1 优先级顺序（由高到低）

1. 按位取反（~）
2. 左移（<<）、右移（>>）、无符号右移（>>>）
3. 按位与（&）
4. 按位异或（^）
5. 按位或（|）

4.2 结合性

• 单目运算符（~）：从右到左
• 双目运算符（&、|、^、<<、>>、>>>）：从左到右

4.3 示例：复杂位运算

int a = 5;  // 0101
int b = 3;  // 0011
// 运算顺序：先移位，再异或，最后与
int result = (a << 1) ^ b & 0x0f;  
// 步骤解析：
// 1. a << 1 → 1010（10）
// 2. b & 0x0f → 0011（3）
// 3. 10 ^ 3 → 1001（9）
System.out.println(result);  // 输出9

建议：复杂位运算用括号明确顺序，提高可读性。

五、位运算符与逻辑运算符的区别

运算符	类型	操作对象	短路特性	结果类型
&	位逻辑	二进制位	无（两边都执行）	整数
&&	逻辑与	布尔值	有（左为 false 则右不执行）	布尔值
|	位逻辑	二进制位	无（两边都执行）	整数
||	逻辑或	布尔值	有（左为 true 则右不执行）	布尔值

六、位运算符的应用场景

6.1 高效计算

利用位运算替代乘除、取余等运算，提升效率：

// 乘2^n：a << n
int multiply = 5 << 3;  // 5 * 8 = 40

// 除2^n（向下取整）：a >> n
int divide = 25 >> 2;  // 25 / 4 = 6

// 取余2^n：a & (2^n - 1)
int mod = 25 & 3;  // 25 % 4 = 1（3 = 2^2 - 1）

6.2 权限控制

用二进制位表示不同权限，通过位运算组合或判断权限：

// 定义权限（每一位代表一种权限）
public static final int READ = 1 << 0;  // 0001（1）
public static final int WRITE = 1 << 1; // 0010（2）
public static final int EXEC = 1 << 2;  // 0100（4）

// 组合权限（读+写）
int permissions = READ | WRITE;  // 0011（3）

// 判断是否有写权限
boolean hasWrite = (permissions & WRITE) != 0;  // true

// 移除读权限
permissions = permissions & ~READ;  // 0010（2）

6.3 数据加密与解密

利用异或的还原特性实现简单加密：

String plaintext = "hello";
int key = 123;  // 密钥

// 加密：每个字符与密钥异或
char[] encrypted = new char[plaintext.length()];
for (int i = 0; i < plaintext.length(); i++) {
    encrypted[i] = (char) (plaintext.charAt(i) ^ key);
}

// 解密：再次异或密钥还原
char[] decrypted = new char[encrypted.length];
for (int i = 0; i < encrypted.length; i++) {
    decrypted[i] = (char) (encrypted[i] ^ key);
}

System.out.println(new String(decrypted));  // 输出"hello"

6.4 交换变量（无临时变量）

int a = 5, b = 10;
a = a ^ b;  // a = 5 ^ 10
b = a ^ b;  // b = (5 ^ 10) ^ 10 = 5
a = a ^ b;  // a = (5 ^ 10) ^ 5 = 10
// 结果：a=10，b=5

七、注意事项

1. 类型转换：对byte、short、char操作时，会先自动转换为int再运算，结果为int类型（如需原类型需强制转换）

byte b = 3;
byte result = (byte) (b << 2);  // 需强制转换为byte

2. 移动位数限制：移动位数超过操作数的位数时，会先对移动位数取模（如int为 32 位，a << 33等价于a << 1）
3. 溢出问题：左移可能导致正数变负数（因符号位变化），需注意数据范围

int maxInt = Integer.MAX_VALUE;  // 2^31 - 1
int overflow = maxInt << 1;  // 结果为-2（溢出）

4. 可读性权衡：位运算效率高但可读性差，非性能敏感场景建议优先考虑代码可读性

八、总结

位运算符通过直接操作二进制位实现高效运算，主要包括：

• 位逻辑运算：&（按位与）、|（按位或）、^（按位异或）、~（按位取反）
• 位移运算：<<（左移）、>>（右移，补符号位）、>>>（无符号右移，补 0）

位运算适用于底层编程、算法优化、权限控制等场景，但需注意符号位影响、溢出问题和代码可读性。合理使用位运算可显著提升程序性能，是 Java 高级编程的重要基础。