Java 移位运算详解(2进制+原码+反码+补码)

一、参考

1、java高级之java的左移运算符和右移运算符

二、简述

1、定义:
符号 名称 实际操作 简单记忆
<< 左移 2 进制左边补齐0位 乘以2的N次方
>> 右移 2 进制右边减少位数 除以2的N次方(其实并非如此,要舍去小数点)
>>> 右移 2 进制右边0填充高位 除以2的N次方(其实并非如此,要舍去小数点)
2、速度:机器码是二进制01运算的,移位速度最快了
3、适用场景:

3.1、编码:字符编码,音频编码,压缩编码,加密编码
3.2、网络协议
3.3、数据文件格式:BMP,WAV
3.4、精确的bit操作

三、实例

既然是移位运算,那么int值肯定是要转成2进制数字才能看的直观明白。

Integer.toBinaryString(int num); //用来看到二进制的值。

以下就准备用15这个数字进行举例,不理解进制转换的请复习以下基础知识

16进制 2进制 10进制
0xF 1111 15
1、正整数简单左移右移
移位 2进制 10进制
15<<2 111100 60
15>>2 11 3
15>>>2 11 3
15>>4 0 0
15>>5 0 0
2、int型移位运算右边参数是需要进行模32的运算(取余数)

这个听起来有点拗口对不对,既然是移位运算,那肯定是对对象带有的bit进行操作,那么先看看对象的存储bit位,另外每个数字类型,最高位其实是符号位,0正数,1负数。

类型 存储需求 正数最大
byte 1个字节=8bit 0111 1111 127
int 4个字节=32bit 0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 2147483647
// 和用二进制算的一样哦。
Integer.MAX_VALUE = 2147483647  
// 看了表就很容易理解模32的运算
5<<1 = 5<<33 = 5<<(33%32) = 10
3、负数的移位运算

3.1、这个就略有复杂了,上面的例子中正数的位没有写全,其实
15 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111
3.2、这里需要理解,原码,反码,补码。有点长,直接贴代码了,中间有...是中间的bit位,不影响计算。
3.3、计算:原负数值->原码->反码->补码->移位=移位后的原码->反码->补码->移位后的数值
3.4、代码举例

        //负数的移位运算
        //-15    = whyA = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0001 
        //-15<<2 = whyB = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 0100 = -60
        //-15>>2 = whyC = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 = -4
        //---------------------------------------------
        //我去,上面整懵了,why? 接下来的就有点复杂了
        //---------------------------------------------
        //whyA的获得
        //a、-15 原码 [1000 0000 ... 0000 1111]:最高位是符号位不动,其他和+15一样
        //b、-15 反码 [1111 1111 ... 1111 0000]
        //c、-15 补码 [1111 1111 ... 1111 0001] = whyA :补码的话如果是1需要进位的,后面也有
        //---------------------------------------------
        //whyB的获得
        //d、-15 左移2位 原码 [1111 1111 ... 1100 0100]:以此为原码
        //e、-15 左移2位 反码 [1000 0000 ... 0011 1011]
        //f、-15 左移2位 补码 [1000 0000 ... 0011 1100] = -60 = whyB
        //---------------------------------------------
        //whyC的获得
        //d、-15 右移2位 原码 [1111 1111 ... 1111 1100]:以此为原码
        //e、-15 右移2位 反码 [1000 0000 ... 0000 0011]
        //f、-15 右移2位 补码 [1000 0000 ... 0000 0100] = -4 = whyC
        ComUtil.print("-15="+Integer.toBinaryString(-15)+
                "\n-15<<2="+Integer.toBinaryString(-15<<2)+"="+(-15<<2)+
                "\n-15>>2="+Integer.toBinaryString(-15>>2)+"="+(-15>>2)
                );
4、速度分析

本以为:移位运算 > 整型运算 > 浮点运算
实际:WTF,各位大大能解释一下,为啥java中整型比移位要快,是我用的不对么😳?

        //速度:(机器底层就是2进制1和0)移位>整型>浮点
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                //移位运算
                int a = 1;
                long start = System.currentTimeMillis();
                for(int i=0;i<Integer.MAX_VALUE;i++){
                    a = a<<5;
                }
                long end = System.currentTimeMillis();
                ComUtil.print("移位运算耗时:"+(end-start));//703
            }
        }).start();
        
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                //整型计算
                int b = 1;
                long start = System.currentTimeMillis();
                for(int i=0;i<Integer.MAX_VALUE;i++){
                    b = b*32;
                }
                long end = System.currentTimeMillis();
                ComUtil.print("整形运算耗时:"+(end-start));//702
            }
        }).start();
        
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                //浮点运算
                float c = 1f;
                long start = System.currentTimeMillis();
                for(int i=0;i<Integer.MAX_VALUE;i++){
                    c = c*32;
                }
                long end = System.currentTimeMillis();
                ComUtil.print("浮点运算耗时:"+(end-start));//3362
            }
        }).start();

至少,能看出移位和整型,比浮点快多了,对于复杂的循环计算有浮点的,可以按比例先换算成整型,最后再转成浮点型。

以上,就是个人对移位运算的理解,喜欢的点个👍呗。

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