Java位操作全面总结

在计算机中所有数据都是以二进制的形式储存的。位运算其实就是直接对在内存中的二进制数据进行操作，因此处理数据的速度非常快。在实际编程中，如果能巧妙运用位操作，完全可以达到四两拨千斤的效果，正因为位操作的这些优点，所以位操作在各大IT公司的笔试面试中一直是个热点问题。

位操作基础

基本的位操作符有与、或、异或、取反、左移、右移这6种，它们的运算规则如下所示：

注意以下几点：

1. 在这6种操作符，只有~取反是单目操作符，其它5种都是双目操作符。
2. 位操作只能用于整形数据，对float和double类型进行位操作会被编译器报错。
3. 位操作符的运算优先级比较低，因为尽量使用括号来确保运算顺序，否则很可能会得到莫明其妙的结果。比如要得到像1，3，5，9这些2^i+1的数字。写成int a = 1 « i + 1;是不对的，程序会先执行i + 1，再执行左移操作。应该写成int a = (1 « i) + 1;
4. 另外位操作还有一些复合操作符，如&=、|=、 ^=、«=、»=。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

packagecom.king.bit;

 

/**

 * @author taomk

 * @version 1.0

 * @since 15-5-10 下午2:23

 */

publicclass BitMain {

 

    publicstatic void main(String [] args) {

        inta = -15, b = 15;

        System.out.println(a >> 2);// -4：-15 = 1111 0001(二进制)，右移二位，最高位由符号位填充将得到1111 1100即-4

        System.out.println(b >> 2);// 3：15=0000 1111(二进制)，右移二位，最高位由符号位填充将得到0000 0011即3

    }

}

常用位操作小技巧

下面对位操作的一些常见应用作个总结，有判断奇偶、交换两数、变换符号及求绝对值。这些小技巧应用易记，应当熟练掌握。

判断奇偶

只要根据最未位是0还是1来决定，为0就是偶数，为1就是奇数。因此可以用if ((a & 1) == 0)代替if (a % 2 == 0)来判断a是不是偶数。下面程序将输出0到100之间的所有偶数：

1

2

3

4

5

for(inti = 0; i < 100; i ++) {

       if((i & 1) == 0) { // 偶数

           System.out.println(i);

       }

   }

交换两数

1

2

3

4

5

6

intc = 1, d = 2;

c ^= d;

d ^= c;

c ^= d;

System.out.println("c="+ c);

System.out.println("d="+ d);

可以这样理解：
第一步 a=b 即a=(ab)；
第二步 b=a 即b=b(ab)，由于运算满足交换律，b(ab)=bba。由于一个数和自己异或的结果为0并且任何数与0异或都会不变的，所以此时b被赋上了a的值；
第三步 a=b 就是a=ab，由于前面二步可知a=(ab)，b=a，所以a=ab即a=(ab)a。故a会被赋上b的值；

变换符号

变换符号就是正数变成负数，负数变成正数。
如对于-11和11，可以通过下面的变换方法将-11变成11

1111 0101(二进制) –取反-> 0000 1010(二进制) –加1-> 0000 1011(二进制)

同样可以这样的将11变成-11

0000 1011(二进制) –取反-> 0000 0100(二进制) –加1-> 1111 0101(二进制)

因此变换符号只需要取反后加1即可。完整代码如下：

1

2

3

inta = -15, b = 15;

System.out.println(~a + 1);

System.out.println(~b + 1);

求绝对值

位操作也可以用来求绝对值，对于负数可以通过对其取反后加1来得到正数。对-6可以这样：

1111 1010(二进制) –取反->0000 0101(二进制) -加1-> 0000 0110(二进制)

来得到6。

因此先移位来取符号位，int i = a » 31;要注意如果a为正数，i等于0，为负数，i等于-1。然后对i进行判断——如果i等于0，直接返回。否之，返回~a+1。完整代码如下：

1

2

inti = a >> 31;

System.out.println(i == 0? a : (~a + 1));

现在再分析下。对于任何数，与0异或都会保持不变，与-1即0xFFFFFFFF异或就相当于取反。因此，a与i异或后再减i（因为i为0或-1，所以减i即是要么加0要么加1）也可以得到绝对值。所以可以对上面代码优化下：

1

2

intj = a >> 31;

System.out.println((a ^ j) - j);

注意这种方法没用任何判断表达式，而且有些笔面试题就要求这样做，因此建议读者记住该方法（_讲解过后应该是比较好记了）。

位操作与空间压缩

筛素数法在这里不就详细介绍了，本文着重对筛素数法所使用的素数表进行优化来减小其空间占用。要压缩素数表的空间占用，可以使用位操作。下面是用筛素数法计算100以内的素数示例代码（注2）：

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

// 打印100以内素数：

// （1）对每个素数，它的倍数必定不是素数；

// （2）有很多重复访问如flag[10]会在访问flag[2]和flag[5]时各访问一次；

intmax = 100;

boolean[] flags = newboolean[max];

int[] primes = newint[max / 3+ 1];

intpi = 0;

 

for(intm = 2; m < max ; m ++) {

    if(!flags[m]) {

        primes[pi++] = m;

        for(intn = m; n < max; n += m) {

            flags[n] = true;

        }

    }

}

 

System.out.println(Arrays.toString(primes));

运行结果如下：

[2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

在上面程序是用bool数组来作标记的，bool型数据占1个字节（8位），因此用位操作来压缩下空间占用将会使空间的占用减少八分之七。

下面考虑下如何在数组中对指定位置置1，先考虑如何对一个整数在指定位置上置1。对于一个整数可以通过将1向左移位后与其相或来达到在指定位上置1的效果，代码如下所示：

1

2

3

4

// 在一个数指定位上置1

inte = 0;

e |=  1<< 10;

System.out.println(e);

同样，可以1向左移位后与原数相与来判断指定位上是0还是1（也可以将原数右移若干位再与1相与）。

1

2

3

4

5

//判断指定位上是0还是1

if((e & (1<< 10)) != 0)

    System.out.println("指定位上为1");

else

    System.out.println("指定位上为0");

扩展到数组上，我们可以采用这种方法，因为数组在内存上也是连续分配的一段空间，完全可以“认为”是一个很长的整数。先写一份测试代码，看看如何在数组中使用位操作：

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

int[] bits = newint[40];

for(intm = 0; m < 40; m += 3) {

    bits[m / 32] |= (1<< (m % 32));

}

// 输出整个bits

for(intm = 0; m < 40; m++) {

    if(((bits[m / 32] >> (m % 32)) & 1) != 0)

        System.out.print('1');

    else

        System.out.print('0');

}

运行结果如下：

1001001001001001001001001001001001001001

可以看出该数组每3个就置成了1，证明我们上面对数组进行位操作的方法是正确的。因此可以将上面筛素数方法改成使用位操作压缩后的筛素数方法：

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

int[] flags2 = newint[max / 32+ 1];

pi = 0;

for(intm = 2; m < max ; m ++) {

    if((((flags2[m / 32] >> (m % 32)) & 1) == 0)) {

        primes[pi++] = m;

        for(intn = m; n < max; n += m) {

            flags2[n / 32] |= (1<< (n % 32));

        }

    }

}

 

System.out.println();

System.out.println(Arrays.toString(primes));

运行结果如下：

[2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

位操作工具类

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

packagecom.king.bit;

 

/**

 * Java 位运算的常用方法封装

 */

publicclass BitUtils {

 

    /**

     * 获取运算数指定位置的值

     * 例如： 0000 1011 获取其第 0 位的值为 1, 第 2 位 的值为 0

     *

     * @param source

     *            需要运算的数

     * @param pos

     *            指定位置 (0<=pos<=7)

     * @return 指定位置的值(0 or 1)

     */

    publicstatic byte getBitValue(bytesource, intpos) {

        return(byte) ((source >> pos) & 1);

    }

 

    /**

     * 将运算数指定位置的值置为指定值

     * 例: 0000 1011 需要更新为 0000 1111, 即第 2 位的值需要置为 1

     *

     * @param source

     *            需要运算的数

     * @param pos

     *            指定位置 (0<=pos<=7)

     * @param value

     *            只能取值为 0, 或 1, 所有大于0的值作为1处理, 所有小于0的值作为0处理

     *

     * @return 运算后的结果数

     */

    publicstatic byte setBitValue(bytesource, intpos, bytevalue) {

 

        bytemask = (byte) (1<< pos);

        if(value > 0) {

            source |= mask;

        }else{

            source &= (~mask);

        }

 

        returnsource;

    }

 

    /**

     * 将运算数指定位置取反值

     * 例： 0000 1011 指定第 3 位取反, 结果为 0000 0011; 指定第2位取反, 结果为 0000 1111

     *

     * @param source

     *

     * @param pos

     *            指定位置 (0<=pos<=7)

     *

     * @return 运算后的结果数

     */

    publicstatic byte reverseBitValue(bytesource, intpos) {

        bytemask = (byte) (1<< pos);

        return(byte) (source ^ mask);

    }

 

    /**

     * 检查运算数的指定位置是否为1

     *

     * @param source

     *            需要运算的数

     * @param pos

     *            指定位置 (0<=pos<=7)

     * @return true 表示指定位置值为1, false 表示指定位置值为 0

     */

    publicstatic boolean checkBitValue(bytesource, intpos) {

 

        source = (byte) (source >>> pos);

 

        return(source & 1) == 1;

    }

 

    /**

     * 入口函数做测试

     *

     * @param args

     */

    publicstatic void main(String[] args) {

 

        // 取十进制 11 (二级制 0000 1011) 为例子

        bytesource = 11;

 

        // 取第2位值并输出, 结果应为 0000 1011

        for(bytei = 7; i >= 0; i--) {

            System.out.printf("%d ", getBitValue(source, i));

        }

 

        // 将第6位置为1并输出 , 结果为 75 (0100 1011)

        System.out.println("\n"+ setBitValue(source, 6, (byte)1));

 

        // 将第6位取反并输出, 结果应为75(0100 1011)

        System.out.println(reverseBitValue(source,6));

 

        // 检查第6位是否为1，结果应为false

        System.out.println(checkBitValue(source,6));

 

        // 输出为1的位, 结果应为 0 1 3

        for(bytei = 0; i < 8; i++) {

            if(checkBitValue(source, i)) {

                System.out.printf("%d ", i);

            }

        }

 

    }

}

BitSet类

BitSet类：大小可动态改变, 取值为true或false的位集合。用于表示一组布尔标志。 此类实现了一个按需增长的位向量。位 set 的每个组件都有一个 boolean 值。用非负的整数将 BitSet 的位编入索引。可以对每个编入索引的位进行测试、设置或者清除。通过逻辑与、逻辑或和逻辑异或操作，可以使用一个 BitSet 修改另一个 BitSet 的内容。默认情况下，set 中所有位的初始值都是 false。

每个位 set 都有一个当前大小，也就是该位 set 当前所用空间的位数。注意，这个大小与位 set 的实现有关，所以它可能随实现的不同而更改。位 set 的长度与位 set 的逻辑长度有关，并且是与实现无关而定义的。

除非另行说明，否则将 null 参数传递给 BitSet 中的任何方法都将导致 NullPointerException。 在没有外部同步的情况下，多个线程操作一个 BitSet 是不安全的。

构造函数: BitSet() or BitSet(int nbits)，默认初始大小为64。

public void set(int pos): 位置pos的字位设置为true。
public void set(int bitIndex, boolean value): 将指定索引处的位设置为指定的值。
public void clear(int pos): 位置pos的字位设置为false。
public void clear(): 将此 BitSet 中的所有位设置为 false。
public int cardinality(): 返回此 BitSet 中设置为 true 的位数。
public boolean get(int pos): 返回位置是pos的字位值。
public void and(BitSet other): other同该字位集进行与操作，结果作为该字位集的新值。
public void or(BitSet other): other同该字位集进行或操作，结果作为该字位集的新值。
public void xor(BitSet other): other同该字位集进行异或操作，结果作为该字位集的新值。
public void andNot(BitSet set): 清除此 BitSet 中所有的位,set – 用来屏蔽此 BitSet 的 BitSet
public int size(): 返回此 BitSet 表示位值时实际使用空间的位数。
public int length(): 返回此 BitSet 的“逻辑大小”：BitSet 中最高设置位的索引加 1。
public int hashCode(): 返回该集合Hash 码， 这个码同集合中的字位值有关。
public boolean equals(Object other): 如果other中的字位同集合中的字位相同，返回true。
public Object clone(): 克隆此 BitSet，生成一个与之相等的新 BitSet。
public String toString(): 返回此位 set 的字符串表示形式。

例1：标明一个字符串中用了哪些字符

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

packagecom.king.bit;

 

importjava.util.BitSet;

 

publicclass WhichChars {

 

    privateBitSet used = newBitSet();

 

    publicWhichChars(String str) {

        for(inti = 0; i < str.length(); i++)

            used.set(str.charAt(i)); // set bit for char

    }

 

    publicString toString() {

        String desc = "[";

        intsize = used.size();

        for(inti = 0; i < size; i++) {

            if(used.get(i))

                desc += (char) i;

        }

        returndesc + "]";

    }

 

    publicstatic void main(String args[]) {

        WhichChars w = newWhichChars("How do you do");

        System.out.println(w);

    }

}

例2：

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

packagecom.king.bit;

 

importjava.util.BitSet;

 

publicclass MainTestThree {

 

    /**

     * @param args

     */

    publicstatic void main(String[] args) {

        BitSet bm = newBitSet();

        System.out.println(bm.isEmpty() + "--"+ bm.size());

        bm.set(0);

        System.out.println(bm.isEmpty() + "--"+ bm.size());

        bm.set(1);

        System.out.println(bm.isEmpty() + "--"+ bm.size());

        System.out.println(bm.get(65));

        System.out.println(bm.isEmpty() + "--"+ bm.size());

        bm.set(65);

        System.out.println(bm.isEmpty() + "--"+ bm.size());

    }

 

}

例3：

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

packagecom.king.bit;

 

importjava.util.BitSet;

 

publicclass MainTestFour {

 

    /**

     * @param args

     */

    publicstatic void main(String[] args) {

        BitSet bm1 = newBitSet(7);

        System.out.println(bm1.isEmpty() + "--"+ bm1.size());

 

        BitSet bm2 = newBitSet(63);

        System.out.println(bm2.isEmpty() + "--"+ bm2.size());

 

        BitSet bm3 = newBitSet(65);

        System.out.println(bm3.isEmpty() + "--"+ bm3.size());

 

        BitSet bm4 = newBitSet(111);

        System.out.println(bm4.isEmpty() + "--"+ bm4.size());

    }

 

}

位操作技巧

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

// 1. 获得int型最大值

System.out.println((1<< 31) - 1);// 2147483647， 由于优先级关系，括号不可省略

System.out.println(~(1<< 31));// 2147483647

 

// 2. 获得int型最小值

System.out.println(1<< 31);

System.out.println(1<< -1);

 

// 3. 获得long类型的最大值

System.out.println(((long)1<< 127) - 1);

 

// 4. 乘以2运算

System.out.println(10<<1);

 

// 5. 除以2运算(负奇数的运算不可用)

System.out.println(10>>1);

 

// 6. 乘以2的m次方

System.out.println(10<<2);

 

// 7. 除以2的m次方

System.out.println(16>>2);

 

// 8. 判断一个数的奇偶性

System.out.println((10& 1) == 1);

System.out.println((9& 1) == 1);

 

// 9. 不用临时变量交换两个数（面试常考）

a ^= b;

b ^= a;

a ^= b;

 

// 10. 取绝对值（某些机器上，效率比n>0 ? n:-n 高）

intn = -1;

System.out.println((n ^ (n >> 31)) - (n >> 31));

/* n>>31 取得n的符号，若n为正数，n>>31等于0，若n为负数，n>>31等于-1

若n为正数 n^0-0数不变，若n为负数n^-1 需要计算n和-1的补码，异或后再取补码，

结果n变号并且绝对值减1，再减去-1就是绝对值 */

 

// 11. 取两个数的最大值（某些机器上，效率比a>b ? a:b高）

System.out.println(b&((a-b)>>31) | a&(~(a-b)>>31));

 

// 12. 取两个数的最小值（某些机器上，效率比a>b ? b:a高）

System.out.println(a&((a-b)>>31) | b&(~(a-b)>>31));

 

// 13. 判断符号是否相同(true 表示 x和y有相同的符号， false表示x，y有相反的符号。)

System.out.println((a ^ b) > 0);

 

// 14. 计算2的n次方 n > 0

System.out.println(2<<(n-1));

 

// 15. 判断一个数n是不是2的幂

System.out.println((n & (n - 1)) == 0);

/*如果是2的幂，n一定是100... n-1就是1111....

所以做与运算结果为0*/

 

// 16. 求两个整数的平均值

System.out.println((a+b) >> 1);

 

// 17. 从低位到高位,取n的第m位

int m = 2;

System.out.println((n >> (m-1)) & 1);

 

// 18. 从低位到高位.将n的第m位置为1

System.out.println(n | (1<<(m-1)));

/*将1左移m-1位找到第m位，得到000...1...000

n在和这个数做或运算*/

 

// 19. 从低位到高位,将n的第m位置为0

System.out.println(n & ~(0<<(m-1)));

/* 将1左移m-1位找到第m位，取反后变成111...0...1111

n再和这个数做与运算*/