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Java的位操作
2016/4/18
南通科迅教育
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当读写二进制文件,或者要把非标准长度的整数与标准长度的整数互相转换时,就要用到大量的位操作,虽然看起来很简单,实际上里面却有很多细节很容易出错。

首先,Java有些标准跟C/C++是不同的:

1Java采用高字节在前的方式读写数据,例如要把一个4字节的int数值写入文件时,它是按照从高字节到低字节的顺序写入的,读取的时候也是这样读出来。
C/C++则采用平台相关的方式,在Windows平台采用低字节在前的方式,在Linux/Unix平台则采用高字节在前的方式。
如果Java要读取C/C++创建的二进制文件,就要注意这个问题,最好先搞清楚原来的文件是采用哪种方式创建的。网络通信也要注意。

2Java没有无符号数,无论byte,short,int,long都是有符号整数,而C/C++有个unsigned关键字可以设置一个数值为无符号数。

3Java的整数基本数据类型就是byte,short,int,long这几个,长度分别为1,2,4,8字节,C/C++可以用typedef定义各种数据类型。

第二,Java是采用补码来存放整数的。
有时候觉得补码的定义有些奇怪,实际上可以这样理解:
把一个整数从0一直往上加1,加到溢出就变成了负数的最小值,然后再继续加1,最后又能回到0,实际上就是一个轮回。
例如一个byte类型的整数,一共有8位,能表示256个数值,采用补码的话数值范围就是-128~127,表示方法如下:
0        0000 0000
1        0000 0001
.
.
126    0111 1110
127    0111 1111
-128   1000 0000
-127   1000 0001
.
.
-1       1111 1111
0         0000 0000

第三、不同长度的整数转换。
如果是从较短的数转成较长的数,很简单,如果是正数就在高字节补0,如果是负数就在高字节补1
例如byte127转为short127
byte:0111 1111
short:0000 0000 0111 0111
byte
-127转为short-127
byte:1000 0001
short:1111 1111 1000 0001
如果是从较长的数转成较短的数,实际上就是把高位都截断了,所以转出来的数值可能完全不是一回事了。
例如short256转为byte
short:0000 0001 0000 0000
byte: 0000 0000
256变成了0
short
-255转成byte:
short:1111 1111 0000 0001
byte:0000 0001
-255变成了1

第四、位运算操作符及它们的优先级
Java
的位运算操作符包括:~非,|按位或,&按位与,^按位异或,<<左移,>>右移,>>>右移左侧补0
各种运算符的优先级如下表所示: 

优先级

运算符

结合性

1

() [] .

从左到右

2

! +() -() ~ ++ --

从右向左

3

* / %

从左向右

4

+() -()

从左向右

5

<< >> >>>

从左向右

6

< <= > >= instanceof

从左向右

7

== !=

从左向右

8

&(按位与)

从左向右

9

^

从左向右

10

|

从左向右

11

&&

从左向右

12

||

从左向右

13

?:

从右向左

14

= += -= *= /= %= &= |= ^= ~= <<= >>= >>>=

从右向左

 

根据该表可以看到,位运算操作符的优先级各有不同,分别为:
1
~
2
>> << >>>
3
&
4
^
5
|
另外需要特别注意的是,除了~,其他位运算操作的优先级都低于加减,所以要记得以下语句是返回32而不是7
1<<2+3
还有就是&^|的优先级都是低于逻辑操作符的,因此下面的语句会编译出错,幸好Java不像C那样对所有大于1的值都认为是真,否则下面的语句也能编译通过,但可能与你的意图不太一样,可能调试半天才发现。
if(3&1>0)
如果记不清楚,还是按照你的意图加上括号最保险。

第五、字节数组与整数之间的转换
为了把一个整数存入文件,或者从文件中读取一个整数,需要经常在字节数组和整数之间转换,这个过程要用到大量的位运算。
首先需要记住的是,在参与所有运算前,Java都会把byteshort类型的值都转换成int,然后再对转换后的int进行操作。例如下面的语句会编译出错:
byte a=10,b=20,c;
c=a+b;
因为ab在相加前都被转成了int,最后得到的结果是个int类型的值,如果要赋给byte类型的c,必须显式地进行类型转换,即把第二句改为:
c=(byte)(a+b)
这一点很关键,因为对于一个最高位为1byte类型的整数(负数),在运算之前它会被强制转换成int类型,根据上面所说的第三点,其实就是往前面的三个高字节补上1,这样一来,它在参与位运算的过程中,就不仅仅是它本身的8bit参与了,实际上连前3个字节的24bit(均为1)也参与了。例如有一个整数i=1082163328,它的二进制表示为:
01000000 10000000 10000000 10000000
分为4个字节存储,除了第一个字节是正数外,其余3个字节均为负数。假如用a代表最高字节的值,用b代表其他三个字节的值,如果按照通常的理解,你可能会这样得到i的值:
i=(a<<24)+(b<<16)+(b<<8)+b
如果ab都是正数,上面的等式是成立的,但是在这个例子里,却是错的,因为上式中的ab都已经被强制转换成了int类型再参加运算,实际上
a=00000000 00000000 00000000 01000000
b=11111111 11111111 11111111 10000000
i=01000000 00000000 00000000 00000000+11111111 10000000 00000000 00000000+11111111 11111111 10000000 00000000+11111111 11111111 11111111 10000000
最后得到的结果是1065320320,不是原来的值了。
为了不让byte在强制转换成int的过程加入了我们不想要的高位1,我们需要把它跟0xff进行与操作,i的值应该这样运算:
i = ( ( a& 0xff ) << 24 ) +( ( b & 0xff ) << 16 ) + ( ( b & 0xff ) << 8 ) + ( b & 0xff )
注意,因为&<<的优先级都低于+,所以上面的括号是不能少的。不过由于跟0xff与操作之后,其余24位都变成了0,因此可以把+改为|操作,因为任何值与0进行或操作都得到本身:
i = ( a & 0xff ) << 24 | ( b & 0xff ) << 16 | ( b & 0xff ) << 8 | ( b & 0xff )
由于<<的优先级高于|,所以省了一些括号。最高字节可以不与0xff进行与操作,因为它转换成int后左边增加的3个字节都在左移24位时被去掉了:
i = a << 24 | ( b & 0xff ) << 16 | ( b & 0xff ) << 8 | ( b & 0xff )

int转为字节数组的时候比较简单,直接右移截断即可:
byte[] b = new byte[4];
b[0] = (byte) (i >> 24);
b[1] = (byte) (i >> 16);
b[2] = (byte) (i >> 8);
b[3] = (byte) i;

第六、非标准长度整数的存储和读取
假如有两个变量,他们的值可以用12bit来表示,如果我们用16bitshort类型来表示一个变量,那么两个变量就需要4个字节,而实际上它们只需要3个字节就能表示出来,如果存储空间比较有限,写入文件时可以把它们存放在3个字节里面,但是读写过程就需要进行转换。
在内存里,它们都是标准的数据类型:
short a,b;
写入文件时,我们用第一个字节和第二个字节的前半部分来表示a,把第二个字节的后半部分和第三个字节来表示b,即:
1
xxxx xxxx
2
xxxx yyyy
3
yyyy yyyy
x
y都表示一个bit,分别用来存放ab。写入时先把ab转为字节数组:
byte[] out = new byte[3];
out[0] = (byte) ( a >> 4 );//
a的高8位放在第一个字节
out[1] = (byte) ( a << 4 );//
先把a左移四位,在右边补上40,第二个字节的高4位就是a的低4位了,第二个字节的高4位已经生成,低4位还是0
out[1] |= (byte) ( b >> 8 & 0x0f );//b
右移8位,并与0x0f进行与操作,实际上就只保留了b的高4位,并且是在字节的低4位上,跟第二步得到的字节进行或操作,就生成了第二个字节
out[2] = (byte) b;//
b的高4位截断就得到了低8位然后再把这个字节数组写入文件,就可以用3个字节表示两个整数了。
读取:
a =(short)( (out[0] & 0xff) << 4 | ( out[1] & 0xf0 )>>4);
b = (short)((out[1] & 0x0f) << 8 | ( out[2] & 0xff));

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