位操作符和位运算

位操作符是用来对数据进行二进制运算时用到的操作符号,并且是二进制按位对应操作。

一.&  与操作符

c = a&b,只有当a和b都是1的时候,c才等于1,只要a和b其中有一个为0,c都等于0,为什么是这么算的呢?计算机是通过二进制来进行数据操作的,这种与操作脱胎于与门电路,如下图

从与门逻辑电路来看,只有两条输入的线路都是接通的,输入都是1,出来的线路才是通的,输出才是1。这也是为什么只有当a和b都是1,结果才是1。如果c = 5 & 1; 先将5转成二进制数101,101与1进行与操作,将1前面补0,补成001,这样将两个二进制树按位与,结果为001,也就是c=0。

二.|  或操作符

c = a | b;只要a和b有一个为1,结果为1,a和b都是0,c结果为零

从或门逻辑电路来看,只要两条输入的线路有一条接通的,输入都是1,出来的线路都是通的,输出是1,只有两个输入都是0,输出才为0。这也是为什么只有当a和b都是0,结果才是0。如果c = 5 | 1; 先将5转成二进制数101,101与1进行或操作,将1前面补0,补成001,这样将两个二进制树按位与,结果为101,也就是c=5。

三. ^  异或操作(相同为0,相异为1)

c = a^b, 只有a和b不相同的时候,结果才为1,a和b相同时,结果为1;

从异或门逻辑电路来看,只要两条输入的线路状态不同,输入才是1,输出是1,如果两个输入都是1,输出也是0。如果c = 5 ^ 3; 先将5转成二进制数101,101与1进行或操作,将3前面补0,补成011,这样将两个二进制树按位与,结果为110,也就是c=6。

如面试常问的交换a= 5;b = 3;不借助中间变量:

a = a^b;  // 101^011 = 110  ;十进制是6;

b = a^b;  //此时a = 6,  110^011 = 101; 十进制是5;

a = a^b;  //此时=a = 6; b = 5;110^101 = 011; 十进制是3;

这样就完成两个数的交换。

四.移位操作 >>右移,<<左移

    1.正数左右移动,比如5<<1;5左移1位;二进制101左移一位末位补零1010 = 十进制10;可以看出左移相当于x2;101右移1位,10 = 十进制2;

    2.负数左右移动,负数移动会更加麻烦一点,比如int类型的-5

      负数移动是通过补码来操作的,我们先看下-5的补码,补码获取是按位符号位不变取反再加1:

      -5的二进制源码:10000000 00000000 00000000 00000101

      -5的二进制反码:11111111 11111111 11111111 11111010        (符号位不变,按位取反)

      -5的二进制补码:11111111 11111111 11111111 11111011          (反码+1)

    (1)左移1位:符号位不变左移后末尾补0:11111111 11111111 11111111 11110110

            然后将移动之后的补码转换回来,怎么转换回来呢?我们可以通过将移动后的数据转补码进行转换:符号位不变,按位取反再加1

        取反得到反码:10000000 00000000 00000000 00001001

        反码加1得到补码:10000000 00000000 00000000 00001010      (这个就是-5左移1位的结果-10;简单记忆就算负数左移是负数x2,如果超出int范围要实际运算

      (2)负数右移,符号位不变右移后前面补1:11111111 11111111 11111111 11111101

        取反得到反码:11111111 11111111 11111111 00000010

        反码加1得到补码:11111111 11111111 11111111 00000011      (这个就是-5右移后得到的结果-3;


五.& 、| 、^位操作符与=号联用,&=,|=,^=。

c &= a; //等价c = c & a;

c &= a & b;//等价c = c & (a & b)

c |= a; //等价c = c | a;

c |= a | b;//等价c = c | (a | b)

c ^= a; //等价c = c ^ a;

c ^= a ^ b;//等价c = c ^ (a ^ b)

六:为了加深理解,我们看下力扣的位操作算法题

颠倒二进制位

颠倒给定的 32 位无符号整数的二进制位。

提示:

请注意,在某些语言(如 Java)中,没有无符号整数类型。在这种情况下,输入和输出都将被指定为有符号整数类型,并且不应影响您的实现,因为无论整数是有符号的还是无符号的,其内部的二进制表示形式都是相同的。

在 Java 中,编译器使用二进制补码记法来表示有符号整数。因此,在 示例 2 中,输入表示有符号整数 -3,输出表示有符号整数 -1073741825。

示例 1:

输入:n = 00000010100101000001111010011100

输出:964176192 (00111001011110000010100101000000)

解释:输入的二进制串 00000010100101000001111010011100 表示无符号整数 43261596,

    因此返回 964176192,其二进制表示形式为 00111001011110000010100101000000。

示例 2:

输入:n = 11111111111111111111111111111101

输出:3221225471 (10111111111111111111111111111111)

解释:输入的二进制串 11111111111111111111111111111101 表示无符号整数 4294967293,

    因此返回 3221225471 其二进制表示形式为 10111111111111111111111111111111 。

首先分析:要将32位的int数据颠倒过来,是不是就是将32个位置的二进制数从头部或者从尾部一个个取出然后添加。比如n = 5;

5的二进制:00000000 00000000 00000000 00000101

我们先声明一个int result = 0; 来接收数据;00000000 00000000 00000000 00000000

要将5里面取出的数存过来,是不是要先给数据留位置,所以result先要左移一位;

result <<=1;          得到 00000000 00000000 00000000 00000000;

从n = 5中取最后一位:int  num = n&1;  这样num=1; 取出了末位;

将末尾添加到result中 ,result = result | num;  这样就移动了一位到result 中;

result :00000000 00000000 00000000 00000001

要移动第二位;result 左移一位留出位置,result :00000000 00000000 00000000 00000010;

n右移一位 :00000000 00000000 00000000 00000010,然后取出末位,int num = n &1;

然后放到result里面,result = result | num;

可以看出操作是重复的借用循环:

public int reverseBits(int n) {

        int result = 0;

        for (int i = 0; i < 32; i++) {

            //res先往左移一位,把最后一个位置空出来,

            //用来存放n的最后一位数字

            result <<= 1;

            //result 加上n的最后一位数

            result |= n & 1;

            //n往右移一位,把最后一位数字去掉

            n >>= 1;

        }

        return result;

    }

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