Java 位操作這是一項很基礎很基礎的知識內容，在所有 Android 和 Java 開發者的學習之路上，大家都接觸過，但是實際運用的場景卻很少見，很多人估計都忘記有這個知識點了。事實上，在 C/C++ 開發領域因爲與硬件的聯繫更緊密，所以位操作運算應用的更普遍。Java 因爲面向對象的特性很多時候不需要接觸位操作，但是在某些特定場景下，巧妙運用位操作，能夠起到非常高效的的表現。這篇博文不談應用，只詳細講解與位操作有關的知識點。
基礎大講堂
所有數值都是2進制
軟件開發者都知道 10 進制、16 進制、8 進制。
比如數字 10 的各位進制形式表現如下。
十進制：10
八進制：012
十六進制：0x0a
二進制：1010雖然有很多種進制，但是實際上計算機所認識的數據只有 0 和 1,因此所有的數值不管它是十進制、十六進制也好都會統統在底層被翻譯成二進制數值。
int a = 5;
//0101 就是 a 的二進制表示。
int b = 520;
//1000001000 就是 b 的二進制表示
bit、byte、world
- bit (位) bit 電腦記憶體中最小的單位，在二進位電腦系統中，每一 bit 可以代表 0 或 1 的數位訊號。所以它能表示的數字範圍就是 0 ~ 1。
- byte (字節) 一個 byte 由 8 bit 組成，所以理論上一個 byte 能表示的數據範圍是 0 ~ 255。
- word (字) 一個 word 由 2 byte 組成，所以理論上一個 word 能表示的數據範圍是 0 ~ 65535。
大家可以看這張圖加深下理解。
32 位與 64 位操作系統。
一般計算機設備上，CPU 主要有 32 位和 64 位（當然，單片機有 8 位和 16 位），32 位 CPU 能夠尋址的範圍是 4 GB。所以過去的電腦設備內存最高一般只能到達 4 GB。後來，隨着芯片技術的發展，越來越多的機器採用了 64 位 CPU。這使得機器的最大內存可以爲 16 GB。
那麼好，我們再來談談 32 位操作系統與 64 位操作系統。實際上它們分別是針對 CPU 類型設計的軟件系統。
32 bit 是 4 byte。通常一條 CPU 指令是 4 byte。在 32 位操作系統上，如果一條 CPU 指令是 4 byte，那麼 CPU 執行一次能夠讀取 32 bit 內容，所以一個指令週期內就能夠完成指令，如果一條 CPU 指令是 8 byte 的話，那麼 32 位操作系統就需要通過 2 個指令週期才能完成指令的讀取，而對應的 64 位操作系統因爲一次能夠讀取 64 bit 內容，所以它在一個指令週期就能夠讀取指令。所以，理論上，64 位的操作系統是要比 32 位操作系統要快 1 倍。
但還有幾個需要大家注意的地方是：
1. 64 位 CPU 機器可以安裝 32 位操作系統，但效率自然跟 32 位操作系統一樣。
2. 32 位 CPU 機器也可以安裝 64 位操作系統。
3. 64 位 CPU 機器安裝 64 位操作系統才最有效率，但跟軟件優化也有關係。
不同的操作系統平臺，給 C/C++ 基本數據類型變量分配的字節是不一樣的。
32位編譯器：
char ：1個字節
char*（即指針變量）: 4個字節（32位的尋址空間是2^32, 即32個bit，也就是4個字節。同理64位編譯器）
short int : 2個字節
int： 4個字節
unsigned int : 4個字節
float: 4個字節
double: 8個字節
long: 4個字節
long long: 8個字節
unsigned long: 4個字節
64位編譯器：
char ：1個字節
char*(即指針變量): 8個字節
short int : 2個字節
int： 4個字節
unsigned int : 4個字節
float: 4個字節
double: 8個字節
long: 8個字節
long long: 8個字節
unsigned long: 8個字節
上面講的是 C/C++ 在不同平臺上的字節長度差別，但是對於 Java 而言，由於 Java 是跨平臺語言，所以 JVM 表現下的基礎數據字節長度其實都是一致的。
int：4 個字節。
short：2 個字節。
long：8 個字節。
byte：1 個字節。
float：4 個字節。
double：8 個字節。
char：2 個字節。
boolean：boolean屬於布爾類型，在存儲的時候不使用字節，僅僅使用 1 位來存儲，範圍僅僅爲0和1，其字面量爲true和false。我們可以看到 Java 與 C/C++ 的基本數據類型字節長度有些不一致，所以涉及到網絡通信交互或者是 JNI 開發時，數據的轉換有時需要考慮下基礎的字節長度。
本篇文章的主要內容是 Java 中的位操作，所以基礎數據長度也是以 Java 中定義的爲準。
原碼 反碼 補碼
我們已經知道了一個 int 型數值是 4 個字節。每個字節有 8 位。但對於一個 int 或者其它整數類型如 （long）的數值而言還要注意的是，它的最高位是符號位。
- 最高位爲0表示正數。
- 最高位爲1表示負數
原碼 將一個數字轉換成二進制就是這個數值的原碼。
int a = 5; //原碼 0000 0000 0000 0101
int b = -3; //原碼 1000 0000 0000 0011反碼
分兩種情況：正數和負數
- 正數 正數的反碼就是原碼。
- 負數 負數的反碼是在原碼的基礎上，符號位不變 其它位都取反。
5 的原碼：0000 0000 0000 0101
-3 的原碼：1000 0000 0000 0011
-3 的反碼：1111 1111 1111 1100
補碼
仍然分正數和負數兩種情況
- 正數 正數的補碼就是原碼。
- 負數 負數的補碼在反碼的基礎上加1。
5 的補碼：0000 0000 0000 0101
-3 的反碼：1111 1111 1111 1100
-3 的補碼: 1111 1111 1111 1101
計算機在進行數值運算的時候，是通過補碼錶示每個數值的。
比如
5 - 3 = 5 + ( -3 )
相當於 0000 0000 0000 0101 + 1111 1111 1111 1101
= 1 0000 0000 0000 0010
最後的結果是1 0000 0000 0000 0010 這樣的二進制，由於 int 類型只有 4 byte，所以最高位產生了溢出，進位 1 被丟棄。結果就變成了 0010 也就是 2，5 - 3 = 2 沒有毛病。
位運算符 &、|、~、^、>>、<<
位運算符包含與運算符、或運算符、取反運算符、異或運算符、左移運算符和右移運算符。在下面的內容中，我將會一一講解。
需要注意的是，下面測試用的數據都是 int 類型，int 類型是 4 個字節長度，但是爲了方便說明示例中用的數值我都用 1 個字節表示。希望不會給大家造成困擾。
& 與運算符
規則 與運算時，進行運算的兩個數，從最低位到最高位，一一對應。如果某 bit 的兩個數值對應的值都是 1，則結果值相應的 bit 就是 1，否則爲 0.
0 & 0 = 0,
0 & 1 = 0,
1 & 1 = 13 & 5 = 1 這是因爲
0000 0011
&
0000 0101
=
0000 0001按照規則，將兩個數值按照低位到高位一一對齊運算，因爲只有第 0 位都爲 1，所以計算結果爲 1.
| 或運算符
規則 與運算時，進行運算的兩個數，從最低位到最高位，一一對應。如果某 bit 的兩個數值對應的值只要 1 個爲 1，則結果值相應的 bit 就是 1，否則爲 0。
0 | 0 = 0,
0 | 1 = 1,
1 | 1 = 1
3 | 5 = 7 這是因爲
0000 0011
|
0000 0101
=
0000 0111
~ 取反運算符
規則 對操作數的每一位進行操作，1 變成 0，0 變成 1。
~5 => 0000 0101 ~ => 1111 1010^ 異或運算符
規則 兩個操作數進行異或時，對於同一位上，如果數值相同則爲 0，數值不同則爲 1。
1 ^ 0 = 1,
1 ^ 1 = 0,
0 ^ 0 = 0;
3 ^ 5 = 6,這是因爲
0000 0011
^
0000 0101
=
0000 0110
值得注意的是 3 ^ 5 = 6,而 6 ^ 5 = 3
0000 0110
^
0000 0101
=
0000 0011
針對這個特性，我們可以將異或運算作爲一個簡單的數據加密的形式。比如，將一個mp4文件所有數值與一個種子數值進行異或得到加密後的數據，解密的時候再將數據與種子數值進行異或一次就可以了。
所以說異或運算可以作爲簡單的加解密運算算法。
>> 右移運算符
規則 a >> b 將數值 a 的二進制數值從 0 位算起到第 b - 1 位，整體向右方向移動 b 位，符號位不變，高位空出來的位補數值 0。
5 >> 1 ===> 0000 0000 0000 0101 >> 1 = 0000 0000 0000 0010 = 2
7 >> 2 ===> 0000 0000 0000 0111 >> 2 = 0000 0000 0000 0001 = 1
9 >> 3 ===> 0000 0000 0000 1001 >> 3 = 0000 0000 0000 0001 = 1
11 >> 2 ===> 0000 0000 0000 1011 >> 2 = 0000 0000 0000 0010 = 2大家發現什麼規律沒有？a >> b = a / ( 2 ^ b ) ,所以 5 >> 1= 5 / 2 = 2,11 >> 2 = 11 / 4 = 2。
<< 左移運算符
規則 a << b 將數值 a 的二進制數值從 0 位算起到第 b - 1 位，整體向左方向移動 b 位，符號位不變，低位空出來的位補數值 0。
5 << 1 ===> 0000 0000 0000 0101 << 1 = 0000 0000 0000 1010 = 10
7 << 2 ===> 0000 0000 0000 0111 << 2 = 0000 0000 0001 1100 = 28
9 << 3 ===> 0000 0000 0000 1001 << 3 = 0000 0000 0100 1000 = 72
11 << 2 ===> 0000 0000 0000 1011 << 2 = 0000 0000 0010 1100 = 44很明顯就可以看出 a << b = a * (2 ^ b)
綜合上面兩個可以看到，如果某個數值（僅指正數，正數的原反補在計算機中一致；因爲負數在計算機中以補碼形式存在）右移 n 位，就相當於拿這個數值去除以 2 的 n 次冪。如果某個數值（正數/負數）左移 n 位，就相當於這個數值乘以 2 ^ n。
參考內容
