詳談Java中的二進制及基本的位運算

二進制是計算技術中廣泛采用的一種數制。二進制數據是用0和1兩個數碼來表示的數。它的基數為2，進位規則是“逢二進一”，借位規則是“借一當二”，由18世紀德國數理哲學大師萊布尼茲發現。當前的計算機系統使用的基本上是二進制系統，數據在計算機中主要是以補碼的形式存儲的。計算機中的二進制則是一個非常微小的開關，用“開”來表示1，“關”來表示0。

那么Java中的二進制又是怎么樣的呢？讓我們一起來揭開它神秘的面紗吧。

一、Java內置的進制轉換

有關十進制轉為二進制，和二進制轉為十進制這種基本的運算方法這里就不展開講了。

在Java中內置了幾個方法來幫助我們進行各種進制的轉換。如下圖所示（以Integer整形為例，其他類型雷同）：

1，十進制轉化為其他進制：

二進制：Integer.toHexString(int i);
八進制：Integer.toOctalString(int i);
十六進制：Integer.toBinaryString(int i);

2，其他進制轉化為十進制：

二進制：Integer.valueOf("0101",2).toString;
八進制：Integer.valueOf("376",8).toString;
十六進制：Integer.valueOf("FFFF",16).toString;

3，使用Integer類中的parseInt()方法和valueOf()方法都可以將其他進制轉化為10進制。

不同的是parseInt()方法的返回值是int類型，而valueOf()返回值是Integer對象。

二、基本的位運算

二進制可以和十進制一樣加減乘除，但是它還有更簡便的運算方式就是——位運算。比如在計算機中int類型的大小是32bit，可以用32位的二進制數來表示，所以我們可以用位運算來對int類型的數值進行計算，當然你也可以用平常的方法來計算一些數據，這里我主要為大家介紹位運算的方法。我們會發現位運算有著普通運算方法不可比擬的力量。更多位運算應用請轉移到我下篇博文《神奇的位運算》

首先，看一下位運算的基本操作符：

優點：

特定情況下，計算方便，速度快，被支持面廣
如果用算數方法，速度慢，邏輯復雜
位運算不限于一種語言，它是計算機的基本運算方法

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（一）按位與&

兩位全為1，結果才為1

0&0=0；0&1=0；1&0=0；1&1=1

例如：51&5 即0011 0011 & 0000 0101 =0000 0001 因此51&5=1.

特殊用法

（1）清零。如果想將一個單元清零，即使其全部二進制位為0，只要與一個各位都是零的數值相與，結果為零。

（2）取一個數中指定位。

例如：設X=10101110，取X的低四位，用X&0000 1111=0000 1110即可得到。

方法：找一個數，對應x要取的位，該數的對應位為1，其余位為零，此數與x進行“與運算”可以得到x中的指定位。

（二）按位或 |

只要有一個為1，結果就為1。

0|0=0； 0|1=1；1|0=1；1|1=1；

例如：51|5 即0011 0011 | 0000 0101 =0011 0111 因此51|5=55

特殊用法

常用來對一個數據的某些位置1。

方法：找到一個數，對應x要置1的位，該數的對應位為1，其余位為零。此數與x相或可使x中的某些位置1。

（三）異或 ^

兩個相應位為“異”（值不同），則該位結果為1，否則為0

0^0=0; 0^1=1; 1^0=1; 1^1=0;

例如：51^5 即0011 0011 ^ 0000 0101 =0011 0110 因此51^5=54

特殊用法

（1） 與1相異或，使特定位翻轉

方法：找一個數，對應X要翻轉的位，該數的對應為1，其余位為零，此數與X對應位異或即可。

例如：X=1010 1110，使X低四位翻轉，用X^0000 1111=1010 0001即可得到。

（2） 與0相異或，保留原值

例如：X^0000 0000 =1010 1110

（3）兩個變量交換值

1.借助第三個變量來實現

C=A;A=B;B=C;

2.利用加減法實現兩個變量的交換

A=A+B;B=A-B;A=A-B;

3.用位異或運算來實現，也是效率最高的

原理：一個數異或本身等于0 ；異或運算符合交換律

A=A^B;B=A^B;A=A^B

（四）取反與運算~

對一個二進制數按位取反，即將0變為1，1變0

~1=0 ；~0=1

（五）左移<<

將一個運算對象的各二進制位全部左移若干位（左邊的二進制位丟棄，右邊補0）

例如： 2<<1 =4 10<<1=100

若左移時舍棄的高位不包含1，則每左移一位，相當于該數乘以2。

例如：

11(1011)<<2= 0010 1100=22

11(00000000 00000000 00000000 1011)整形32bit

（六）右移>>

將一個數的各二進制位全部右移若干位，正數左補0，負數左補1，右邊丟棄。若右移時舍高位不是1（即不是負數），操作數每右移一位，相當于該數除以2。

左補0還是補1得看被移數是正還是負。

例如：4>>2=4/2/2=1

-14（即1111 0010）>>2 =1111 1100=-4

（七）無符號右移運算>>>

各個位向右移指定的位數，右移后左邊空出的位用零來填充，移除右邊的位被丟棄。

例如：-14>>>2

（即11111111 11111111 11111111 11110010）>>>2

=(00111111 11111111 11111111 11111100)=1073741820

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上述提到的負數，他的二進制位表示和正數略有不同，所以在位運算的時候也與正數不同。

負數以其正數的補碼形式表示！

以上述的-14為例，來簡單闡述一下原碼、反碼和補碼。

原 碼

一個整數按照絕對值大小轉化成的二進制數稱為原碼

例如：00000000 00000000 00000000 00001110 是14的原碼。

反 碼

將二進制數按位取反，所得到的新二進制數稱為原二進制數的反碼。

例如：將00000000 00000000 00000000 00001110 每一位取反，

得11111111 11111111 11111111 11110001

注意：這兩者互為反碼

補 碼

反碼加1稱為補碼

11111111 11111111 11111111 11110001 +1=

11111111 11111111 11111111 11110010

現在我們得到-14的二進制表示，現在將它左移

-14（11111111 11111111 11111111 11110010）<<2 =

11111111 11111111 11111111 11001000

=？

分析：這個二進制的首位為1，說明是補碼形式，現在我們要將補碼轉換為原碼（它的正值）

跟原碼轉換為補碼相反，將補碼轉換為原碼的步驟：

補碼減1得到反碼：（11000111）前24位為1，此處省略
反碼取反得到原碼（即該負數的正值）（00111000）
計算正值，正值為56
取正值的相反數，得到結果-56
結論：-14<<2 = -56

三、Java中進制運算

Java中二進制用的多嗎？

平時開發中“進制轉換”和“位操作”用的不多，Java處理的是高層。

在跨平臺中用的較多，如：文件讀寫，數據通信。

來看一個場景：

如果客戶機和服務器都是用Java語言寫的程序，那么當客戶機發送對象數據，我們就可以把要發送的數據序列化seriapzable，服務器端得到序列化的數據之后就可以反序列化，讀出里面的對象數據。

隨著客戶機訪問量的增大，我們不考慮服務器的性能，其實一個可行的方案就是把服務器的Java語言改成C語言。

C語言作為底層語言，反映速度都比Java語言要快，而此時如果客戶端傳遞的還是序列化的數據，那么服務器端的C語言將無法解析，怎么辦呢？我們可以把數據轉為二進制（0，1），這樣的話服務器就可以解析這些語言。

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Java中基本數據類型有以下四種：

Int數據類型：byte（8bit，-128~127）、short（16bit）、int（32bit）、long（64bit）

float數據類型：單精度（float，32bit ） 、雙精度（double,64bit）

boolean類型變量的取值有true、false（都是1bit）

char數據類型：unicode字符，16bit

對應的類類型：

Integer、Float、Boolean、Character、Double、Short、Byte、Long

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（一）數據類型轉為字節

例如：int型8143（00000000 00000000 00011111 11001111）

=>byte[] b=[-49,31,0,0]

第一個（低端）字節：8143>>0*8 & 0xff=(11001111)=207（或有符號-49）

第二個（低端）字節：8143>>1*8 &0xff=(00011111)=31

第三個（低端）字節：8143>>2*8 &0xff=00000000=0

第四個（低端）字節：8143>>3*8 &0xff=00000000=0

我們注意到上面的（低端）是從右往左開始的，那什么是低端呢？我們從大小端的角度來說明。

小端法（pttle-Endian）

低位字節排放在內存的低地址端即該值的起始地址，高位字節排位在內存的高地址端

大端法（Big-Endian）

高位字節排放在內存的低地址端即該值的起始地址，低位字節排位在內存的高地址端

為什么會有大小端模式之分呢？

這是因為在計算機系統中，我們是以字節為單位的，每個地址單元都對應著一個字節，一個字節為8bit。但是在C語言中除了8bit的char之外，還有16bit的short型，32bit的long型（要看具體的編譯器），另外，對于位數大于8位的處理器，例如16位或者32位的處理器，由于寄存器寬度大于一個字節，那么必然存在著一個如果將多個字節安排的問題。因此就導致了大端存儲模式和小端存儲模式。例如一個16bit的short型x，在內存中的地址為0x0010，x的值為0x1122，那么0x11為高字節，0x22為低字節。對于大端模式，就將0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x0011中。小端模式，剛好相反。我們常用的X86結構是小端模式，而KEIL C51則為大端模式。很多的ARM，DSP都為小端模式。有些ARM處理器還可以由硬件來選擇是大端模式還是小端模式。

例如：32bit的數0x12 34 56 78（十二進制）

在Big-Endian模式CPU的存放方式（假設從地址0x4000開始存放）為

在pttle-Endian模式CPU的存放方式（假設從地址0x4000開始存放）為

（二）字符串轉化為字節

1.字符串->字節數組

String s;
byte[] bs=s.getBytes();

2.字節數組->字符串

Byte[] bs=new byte[int];
String s =new String(bs);或
String s=new String(bs,encode);//encode指編碼方式，如utf-8

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兩種類型轉化為字節的方法都介紹了，下面寫個小例子檢驗一下：

pubpc class BtyeTest {
 /*
 * int整型轉為byte字節
 */
 pubpc static byte[] intTOBtyes(int in){
 byte[] arr=new byte[4];
 for(int i=0;i<4;i++){
  arr[i]=(byte)((in>>8*i) & 0xff);
 }
 return arr;
 }
 /*
 * byte字節轉為int整型
 */
 pubpc static int bytesToInt(byte[] arr){
 int sum=0;
 for(int i=0;i<arr.length;i++){
  sum+=(int)(arr[i]&0xff)<<8*i;
 }
 return sum;
 }
 pubpc static void main(String[] args) {
 // TODO Auto-generated method stub
 byte[] arr=intTOBtyes(8143);
 for(byte b:arr){
  System.out.print(b+" ");
 }
 System.out.println();
 System.out.println(bytesToInt(arr));
 
 //字符串與字節數組
 String str="云開的立夏de博客園";
 byte[] barr=str.getBytes();
 
 String str2=new String(barr);
 System.out.println("字符串轉為字節數組：");
 for(byte b:barr){
  System.out.print(b+" ");

 }
 System.out.println();

 System.out.println("字節數組換位字符串："+str2);
 
  
 }

}

運行結果：

以上這篇詳談Java中的二進制及基本的位運算就是小編分享給大家的全部內容了，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持億速云。