Java位移运算符功能详解

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Java位移运算符功能详解

准备工作

开始解析

1、<< 左移(不存在<<<)

三种颜色数字含义：

小结：

2、>> 高位以符号位填充

小结：

3、>>> 高位以0填充

小结：

混合测试

总结：

完整测试代码：

准备工作

1. 计算机基础知识：数字在内存中实际以二进制补码存在
2. 位移操作符实际操作的就是补码，不是在原码上移动
3. 正数的原码、反码、补码相同，负数则按下面步骤计算出补码。
4. Java中数字都有符号，左边第一位就是符号位，1表示负数，0表示非负数
5. 以二进制原码形式打印数字：Integer.toString(num,2)，num为要打印的十进制Int数字，2表示二进制
6. 以二进制补码打印数字：Integer.toBinaryString(num)

• 原码：数字的二进制表示码（十进制转二进制手动计算：把十进制数连续对2取余直到商为0，把余数倒序排列就是要求的二进制）
• 反码：最左边符号位不变，剩下所有位取反，0变1,1变0
• 补码：反码加 1

开始解析

1、<< 左移(不存在<<<)

测试代码如下：cf()方法是我自定义的将int转换成二进制补码并格式化的方法，完整原码在最后

    // 左移
    static void leftMove(){
        System.out.println("int最小值补码 = " + cf(Integer.MIN_VALUE));
        System.out.println("int最大值补码 = " + cf(Integer.MAX_VALUE));
        int num = -129;
        String binary = bf(num); // 原码
        String complement = cf(num); // 补码
        System.out.println(num + " 原码 " + binary);
        System.out.println(num + " 补码 " + complement);
        System.out.println("---------------------------------------------");
        System.out.println(complement + " <<  0 补码 = " + cf(num<<0) +"  ，十进制 "+ (num<<0));
        System.out.println(complement + " << 32 补码 = " + cf(num<<32)  +"  ，十进制 "+ (num<<32));
        System.out.println(complement + " <<  4 补码 = " + cf(num<<4)  +"  ，十进制 "+ (num<<4));
        System.out.println(complement + " << 36 补码 = " + cf(num<<36)  +"  ，十进制 "+ (num<<36));
        System.out.println(complement + " << 24 补码 = " + cf(num<<24)  +"  ，十进制 "+ (num<<24));
        System.out.println(complement + " << 31 补码 = " + cf(num<<31)  +"  ，十进制 "+ (num<<31));
    }

打印结果如下： 

int最小值补码 = 1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000
int最大值补码 = 0111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111
-129 原码 1000_0000_0000_0000_0000_0000_1000_0001
-129 补码 1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111
---------------------------------------------
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 <<  0 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111  ，十进制 -129
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 << 32 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111  ，十进制 -129
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 <<  4 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111_0000  ，十进制 -2064
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 << 36 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111_0000  ，十进制 -2064
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 << 24 补码 = 0111_1111_0000_0000_0000_0000_0000_0000  十2130706432
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 << 31 补码 = 1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000  十-2147483648

三种颜色数字含义：

• 蓝色：符号位，正数0，负数1
• 红色：初始有效位数。-129二进制值为 1000_0001，其他黑色数字都是补码，属于自动填充占位的
• 绿色：左移，右边空位补0，绿色0的个数等于左移位数

小结：

1. num << n ，先要进行n%32（num为int），或者n%64（num为long），-129 << 0 == -129 << 32，-129 << 4 == -129 << 36
2. 符号位的值要参与移动，且第一个被挤掉，最终的符号要看移动结束停在第一位的值是0还是1，-129 << 24 == 0111_1111_0000_0000_0000_0000_0000_0000 
3. 最小值是特殊值，1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000，使用Integer.toBinaryString(Integer.MIN_VALUE) 得到 -1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000
   算上前面的负号，共有33位。且最小值在Int类型中只能用补码不能转换出原码和反码，直接就是 -2^31。类似的在Long类型中的最小值也是特殊值。

2、>> 高位以符号位填充

    /*-------------右移--------------*/
    static void rightMove(){
        int num = -129;
        String complement = cf(num); // 补码
        System.out.println(complement + " >>  0 补码 = " + cf(num>>0) +"  ，十进制 "+ (num>>0));
        System.out.println(complement + " >>  4 补码 = " + cf(num>>4)  +"  ，十进制 "+ (num>>4));
        System.out.println(complement + " >> 36 补码 = " + cf(num>>36)  +"  ，十进制 "+ (num>>36));
        System.out.println(complement + " >>  8 补码 = " + cf(num>>8)  +"  ，十进制 "+ (num>>8));
        System.out.println(complement + " >> 24 补码 = " + cf(num>>24)  +"  ，十进制 "+ (num>>24));
    }

打印结果：

1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>  0 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111  ，十进制 -129
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>  4 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111  ，十进制 -9
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >> 36 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111  ，十进制 -9
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>  8 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111  ，十进制 -1
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >> 24 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111  ，十进制 -1

小结：

1. 符号位会参与 >>，看标记蓝色的1
2. >> 高位以符号位填充，正数填0，负数填1
3. 这里做了负数，后面会做一个正数负数对比
4. num >> n，先n%32或者n%64（num为long），看4和36的结果一样
5. n >= num的有效位数，结果全是 -1

3、>>> 高位以0填充

    static void unsignedRightMove(){
        int num = -129;
        String complement = cf(num); // 补码
        System.out.println(complement + " >>>  0 补码 = " + cf(num>>>0) +"  ，十进制 "+ (num>>>0));
        System.out.println(complement + " >>>  4 补码 = " + cf(num>>>4)  +"  ，十进制 "+ (num>>>4));
        System.out.println(complement + " >>> 36 补码 = " + cf(num>>>36)  +"  ，十进制 "+ (num>>>36));
        System.out.println(complement + " >>>  8 补码 = " + cf(num>>>8)  +"  ，十进制 "+ (num>>>8));
        System.out.println(complement + " >>> 24 补码 = " + cf(num>>>24)  +"  ，十进制 "+ (num>>>24));
        System.out.println(complement + " >>> 31 补码 = " + cf(num>>>31)  +"  ，十进制 "+ (num>>>31));
        System.out.println(complement + " >>> 32 补码 = " + cf(num>>>32)  +"  ，十进制 "+ (num>>>32));
    }

打印结果：

1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>>   0 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111  ，十进制 -129
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>>   4 补码 =0000_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111  ，十进制 268435447
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>> 36 补码 = 0000_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111  ，十进制 268435447
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>>   8 补码 = 0000_0000_1111_1111_1111_1111_1111_1111  ，十进制 16777215
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>> 24 补码 = 0000_0000_0000_0000_0000_0000_1111_1111  ，十进制 255
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>> 31 补码 = 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001  ，十进制 1
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>> 32 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111  ，十进制 -129

小结：

1. >>> 又叫无符号右移。左边高位补零，看绿色标记
2. >>> 有效位移数为[1~31]（num为int类型），移32等于移动0位。
3. 只要进行了有效位移，结果都为正数，最小值为1，没有0或者负数

混合测试

    /*-------------混合测试--------------*/
    static void mixTest(){
        int num = -129;
        int num2 = 128;
        String complement = cf(num); // 补码
        String complement2 = cf(num2); // 补码
        System.out.println(complement + " >>  4 补码 = " + cf(num>>4)  +"  ，十进制 "+ (num>>4));
        System.out.println(complement + " >>> 4 补码 = " + cf(num>>>4)  +"  ，十进制 "+ (num>>>4));
        System.out.println(complement + " >>  8 补码 = " + cf(num>>8)  +"  ，十进制 "+ (num>>8));
        System.out.println(complement + " >>> 8 补码 = " + cf(num>>>8)  +"  ，十进制 "+ (num>>>8));

        System.out.println(complement2 + " >>  4 补码 = " + cf(num2>>4)  +"  ，十进制 "+ (num2>>4));
        System.out.println(complement2 + " >>> 4 补码 = " + cf(num2>>>4)  +"  ，十进制 "+ (num2>>>4));
        System.out.println(complement2 + " >>  8 补码 = " + cf(num2>>8)  +"  ，十进制 "+ (num2>>8));
        System.out.println(complement2 + " >>> 8 补码 = " + cf(num2>>>8)  +"  ，十进制 "+ (num2>>>8));
    }

打印结果：

1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>  4 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111  ，十进制 -9
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>> 4 补码 = 0000_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111  ，十进制 268435447
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>  8 补码 = 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111  ，十进制 -1
1111_1111_1111_1111_1111_1111_0111_1111 >>> 8 补码 = 0000_0000_1111_1111_1111_1111_1111_1111  ，十进制 16777215
0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000_0000 >>  4 补码 = 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000 ，十进制 8
0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000_0000 >>> 4 补码 = 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000  ，十进制 8
0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000_0000 >>  8 补码 = 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000  ，十进制 0
0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000_0000 >>> 8 补码 = 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000  ，十进制 0

总结：

1. 对于负数，带符号右移和无符号右移结果差别很大
2. 对于正数，带符号右移和无符号右移结果一样

完整测试代码：

package com.qing.advance;

public class Test07 {
    /*-------------左移--------------*/
    static void leftMove(){
        System.out.println("int最小值补码 = " + cf(Integer.MIN_VALUE));
        System.out.println("int最大值补码 = " + cf(Integer.MAX_VALUE));

        int num = -129;
        String binary = bf(num); // 原码
        String complement = cf(num); // 补码
        System.out.println(num + " 原码 " + binary);
        System.out.println(num + " 补码 " + complement);
        System.out.println("---------------------------------------------");
        System.out.println(complement + " <<  0 补码 = " + cf(num<<0) +"  ，十进制 "+ (num<<0));
        System.out.println(complement + " << 32 补码 = " + cf(num<<32)  +"  ，十进制 "+ (num<<32));
        System.out.println(complement + " <<  4 补码 = " + cf(num<<4)  +"  ，十进制 "+ (num<<4));
        System.out.println(complement + " << 36 补码 = " + cf(num<<36)  +"  ，十进制 "+ (num<<36));
        System.out.println(complement + " << 24 补码 = " + cf(num<<24)  +"  ，十进制 "+ (num<<24));
        System.out.println(complement + " << 31 补码 = " + cf(num<<31)  +"  ，十进制 "+ (num<<31));
    }
    /*-------------右移--------------*/
    static void rightMove(){
        int num = -129;
        String complement = cf(num); // 补码
        System.out.println(complement + " >>  0 补码 = " + cf(num>>0) +"  ，十进制 "+ (num>>0));
        System.out.println(complement + " >>  4 补码 = " + cf(num>>4)  +"  ，十进制 "+ (num>>4));
        System.out.println(complement + " >> 36 补码 = " + cf(num>>36)  +"  ，十进制 "+ (num>>36));
        System.out.println(complement + " >>  8 补码 = " + cf(num>>8)  +"  ，十进制 "+ (num>>8));
        System.out.println(complement + " >> 24 补码 = " + cf(num>>24)  +"  ，十进制 "+ (num>>24));
    }
    /*-------------无符号右移--------------*/
    static void unsignedRightMove(){
        int num = -129;
        String complement = cf(num); // 补码
        System.out.println(complement + " >>>  0 补码 = " + cf(num>>>0) +"  ，十进制 "+ (num>>>0));
        System.out.println(complement + " >>>  4 补码 = " + cf(num>>>4)  +"  ，十进制 "+ (num>>>4));
        System.out.println(complement + " >>> 36 补码 = " + cf(num>>>36)  +"  ，十进制 "+ (num>>>36));
        System.out.println(complement + " >>>  8 补码 = " + cf(num>>>8)  +"  ，十进制 "+ (num>>>8));
        System.out.println(complement + " >>> 24 补码 = " + cf(num>>>24)  +"  ，十进制 "+ (num>>>24));
        System.out.println(complement + " >>> 31 补码 = " + cf(num>>>31)  +"  ，十进制 "+ (num>>>31));
        System.out.println(complement + " >>> 32 补码 = " + cf(num>>>32)  +"  ，十进制 "+ (num>>>32));

    }
    /*-------------混合测试--------------*/
    static void mixTest(){
        int num = -129;
        int num2 = 128;
        String complement = cf(num); // 补码
        String complement2 = cf(num2); // 补码
        System.out.println(complement + " >>  4 补码 = " + cf(num>>4)  +"  ，十进制 "+ (num>>4));
        System.out.println(complement + " >>> 4 补码 = " + cf(num>>>4)  +"  ，十进制 "+ (num>>>4));
        System.out.println(complement + " >>  8 补码 = " + cf(num>>8)  +"  ，十进制 "+ (num>>8));
        System.out.println(complement + " >>> 8 补码 = " + cf(num>>>8)  +"  ，十进制 "+ (num>>>8));

        System.out.println(complement2 + " >>  4 补码 = " + cf(num2>>4)  +"  ，十进制 "+ (num2>>4));
        System.out.println(complement2 + " >>> 4 补码 = " + cf(num2>>>4)  +"  ，十进制 "+ (num2>>>4));
        System.out.println(complement2 + " >>  8 补码 = " + cf(num2>>8)  +"  ，十进制 "+ (num2>>8));
        System.out.println(complement2 + " >>> 8 补码 = " + cf(num2>>>8)  +"  ，十进制 "+ (num2>>>8));
    }
    public static void main(String[] args) {
//        leftMove();
//        rightMove()
//        unsignedRightMove();
        mixTest();
    }
    /*-------------将二进制补码格式化--------------*/
    static String cf(Integer num){
        return  intFormat(Integer.toBinaryString(num));
    }
    /*-------------将二进制原码格式化--------------*/
    static String bf(Integer num){
        return  intFormat(Integer.toString(num,2));
    }
    /*-------------补零、加下划线--------------*/
    static String intFormat(String str){
        StringBuilder sb = new StringBuilder(str);
        // 极小值 -100_0000_0000_0000_0000_0000_0000_00000 加上负号会有33位，其余都是32位
        if(sb.length()==33){
            sb.deleteCharAt(0);
        }else if(sb.charAt(0) == '-'){
            sb.setCharAt(0,'1');
            // 负数在符号位后面补零
            while (sb.length() < 32){
                sb.insert(1,'0');
            }
        }
        // 正数在最前面补零
        while (sb.length() < 32){
            sb.insert(0,'0');
        }

        for (int i=28;i>0;i-=4){
            sb.insert(i,'_');
        }
        return sb.toString();
    }
}