Java Programming 【Chapter 2_QA】

1、大端序(Big Endian)、小端序(Little Endian)的概念理解、举例说明。

什么是大端序和小端序？

  • 端序（Endianness）是指计算机系统中多字节数据（如整数）在内存中的存储顺序。
  • 大端序（Big Endian）：高位字节（数值较大的部分）存储在低地址，低位字节存储在高地址，像是“从左到右”读数，类似我们日常书写习惯。
  • 小端序（Little Endian）：低位字节存储在低地址，高位字节存储在高地址，像是“从右到左”读数，计算机更常使用这种方式优化计算。

通俗类比

想象一个三位数“123”要写在纸上：

  • 大端序：像正常书写，先写“1”（高位）在左边，再写“2”“3”（低位）向右，像“123”。
  • 小端序：像倒着写，先写“3”（低位）在左边，再写“2”“1”（高位）向右，像“321”，但实际读时要反过来理解。

举例说明

假设一个 16 位整数 0x1234（十六进制，十进制 4660），用 2 个字节表示：

  • 内存地址：从 0x100 开始，占 2 字节（0x100 和 0x101）。
  • 大端序：
    • 0x100 存高位字节 0x12。
    • 0x101 存低位字节 0x34。
    • 内存：12 34，读出来是 0x1234。
  • 小端序：
    • 0x100 存低位字节 0x34。
    • 0x101 存高位字节 0x12。
    • 内存：34 12，读出来仍需解释为 0x1234。

为什么有区别？

  • 硬件优化：小端序便于处理器直接处理低位数据（如加减法），常见于 Intel x86 架构。
  • 网络传输：大端序常用于网络协议（如 TCP/IP），因为它更直观，类似人类阅读习惯。
  • 兼容性：不同系统可能采用不同端序，需转换（如 UTF-16 Big/Little Endian）。

红框内容中的应用

  • UTF-16 Big Endian：Unicode 字符用 2 字节存储，高位字节先存（如 0x9A6C 存为 9A 6C）。
  • UTF-16 Little Endian：低位字节先存（如 0x9A6C 存为 6C 9A）。
  • BOM（字节顺序标记）：文件开头可能加特殊字节（如 FE FF 表示 Big Endian）帮助识别端序。

重点总结

  • 大端序：高位在前，像“123”，适合人类阅读。
  • 小端序：低位在前，像“321”但反读，优化计算。
  • 区别：存储顺序相反，影响数据解释，需根据上下文（硬件或协议）选择。

 

2、在 Java 中，有哪些位移运算？例如 左移 <<, 右移 >> 有符号左移，无符号左移，有符号右移，无符号右移？

在 Java 中，位移运算符用于对整数的二进制表示进行位操作。以下是常见的位移运算符及其概念、区别，并通过举例说明。

位移运算符及概念

  1. 左移运算符 <<
    • 概念：将操作数的二进制位向左移动指定位数，低位补 0，高位溢出被丢弃。
    • 特性：相当于将数字乘以 2^n（n 为移位数），但可能溢出。
    • 适用范围：对所有整数类型（int、long 等）。
  2. 有符号右移运算符 >>
    • 概念：将操作数的二进制位向右移动指定位数，保留符号位（正数补 0，负数补 1），低位溢出被丢弃。
    • 特性：相当于将数字除以 2^n 并向下取整，保持符号。
    • 适用范围：对有符号整数（int、long）。
  3. 无符号右移运算符 >>>
    • 概念：将操作数的二进制位向右移动指定位数，高位统一补 0，低位溢出被丢弃。
    • 特性：将负数转为正数，相当于逻辑右移，忽略符号。
    • 适用范围：对所有整数类型。
  4. 无符号左移
    • 注意：Java 中没有专门的“无符号左移”运算符，<< 对所有整数都按相同方式操作（低位补 0），符号无关。

区别

  • 符号处理：
    • <<：不考虑符号，仅左移补 0。
    • >>：考虑符号，补符号位（0 或 1）。
    • >>>：不考虑符号，始终补 0。
  • 溢出行为：
    • <<：高位溢出可能改变符号。
    • >> 和 >>>：低位溢出被丢弃。
  • 用途：
    • <<：乘法优化。
    • >>：带符号的除法优化。
    • >>>：无符号数处理或位操作。

举例说明

假设使用 int 类型，初始值 a = 12（二进制 00001100，32 位补齐高位 0）。

1. 左移 <<

int a = 12;
int b = a << 2; // 左移 2 位
System.out.println(b); // 输出 48
  • 过程：00001100 左移 2 位成 00110000（十进制 48）。
  • 解释：相当于 12×22=12x2^2=48，低位补 0，高位溢出。

2. 有符号右移 >>

int a = 12;
int b = a >> 2; // 右移 2 位
System.out.println(b); // 输出 3
  • 过程：00001100 右移 2 位成 00000011（十进制 3）。
  • 解释：相当于 12÷2^2=3，高位补 0（正数）。

3. 有符号右移（负数示例）

int a = -12; // 二进制补码 11111111 11111111 11111111 11110100
int b = a >> 2; // 右移 2 位
System.out.println(b); // 输出 -3
  • 过程：11110100 右移 2 位成 11111101（补 1，因负数），十进制 -3。
  • 解释：保持符号，相当于 −12÷4=−3。

4. 无符号右移 >>>

int a = -12; // 二进制补码 11111111 11111111 11111111 11110100
int b = a >>> 2; // 无符号右移 2 位
System.out.println(b); // 输出 1073741821
  • 过程：11110100 右移 2 位成 00111101（高位补 0），补齐 32 位为 00111111 11111111 11111111 11111101，十进制 1073741821。
  • 解释：忽略符号，转换为正数。

5. 无符号左移（使用 <<）

int a = 12;
int b = a << 2; // 左移 2 位
System.out.println(b); // 输出 48
int c = -12 << 2; // 负数左移
System.out.println(c); // 输出 -48
  • 过程：-12 的补码左移 2 位，高位溢出，保持负数。
  • 解释：<< 对正负数行为一致，仅补 0。

总结表

 
运算符补位规则符号影响典型用途
<< 低位补 0 无 乘以 2^n
>> 补符号位 (0/1) 有 除以 2^n (带符号)
>>> 高位补 0 无 无符号右移
 

注意

  • 移位次数超过类型位数（32 位 int）会取模（例如 << 34 相当于 << 2）。
  • 负数补码需理解二进制表示，>>> 常用于位掩码或无符号转换。

 

3、如何理解上述左移<<的如下计算结果？

int c = -12 << 2; // 负数左移
System.out.println(c); // 输出 -48

1. 理解负数 -12 的二进制表示

  • Java 使用 补码（Two's Complement）表示有符号整数。
  • int 类型是 32 位，-12 的二进制表示需要从正数 12 开始计算：
    • 正数 12 的二进制：00001100（低 8 位，32 位高位补 0）。
    • 补码计算：
      • 取反：11110011（对每位取反）。
      • 加 1：11110100（加上 1）。
    • 因此，-12 的 32 位补码是：11111111 11111111 11111111 11110100。
    • 符号位：最高位 1 表示负数。

2. 左移运算 << 2

  • 左移规则：<< 将二进制位向左移动指定位数（这里是 2 位），低位补 0，高位溢出被丢弃。
  • 对 -12 的补码 11111111 11111111 11111111 11110100 左移 2 位：
    • 原数：11111111 11111111 11111111 11110100
    • 左移 2 位：11111111 11111111 11111111 11010000（低位补 2 个 0，高位 2 位溢出）。
  • 结果：新的 32 位二进制数 11111111 11111111 11111111 11010000。

3. 转换为十进制

  • 这一串二进制是补码形式，需转换为十进制：
    • 符号位 1 表示负数，取反加 1 还原。
    • 取反：00000000 00000000 00000000 00101111。
    • 加 1：00000000 00000000 00000000 00110000 = 48（十进制）。
    • 负数值：-48。
  • 验证：-12 << 2 相当于 −12×4=−48，与计算一致。

4. 为什么是 -48？

  • 左移效果：<< 2 相当于乘以 2^2 =4。对于正数 12 << 2 = 48，负数 -12 << 2 保持符号，变为 -48。
  • 补码特性：左移不改变符号位（最高位仍为 1），只是扩展了数值幅度，负数变“更负”。

简图说明

初始 (-12): 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0100
左移 2 位:  1111 1111 1111 1111 1111 1111 1101 0000
结果 (-48): 保持符号位 1，低位补 0。

总结

  • -12 << 2 的结果是 -48，因为：
    1. -12 的补码左移 2 位，得到 11111111 11111111 11111111 11010000。
    2. 补码转换为十进制，符号位 1 表示负数，值是 -48。
    3. 数学上，-12 x 4 = -48，与位运算结果一致。
  • 关键点：左移保持符号，负数左移加倍负值幅度。

 

posted @ 2025-06-28 16:08  AlphaGeek  阅读(21)  评论(0)    收藏  举报