位运算的妙用

零度非安全

来源：赖信涛
链接：kawabangga.com/posts/284

最近在学 java，其实仅仅是在命令行里写程序跟 C 语言没有太大的区别，思想都是一样的。遇到了一个比较新鲜（后来知道原来 C 中也有）的东西——位元算（又叫位操作）。多新鲜啊，毕向东老师说这次（现在正在学习的这次）使用位元算符将会是你们今后使用的唯一的一次，因为在开发中根本用不着。其实也差不多。不过见到了几个应用，还是蛮有意思的，这里总结一下（万一考试就考到了呢，呵呵）。

Java中共有7个位运算符：~(取反)、&（与）、｜（或）、^（异或）、>>（右移）、<<（左移）、>>>（无符号右移）。这里不在解释位运算，只是谈谈几种位运算的有趣用法。

加密

1 一个数异或同一个数两次还是原数；

2 计算机中的文件都是以二进制的形式来存储的；

利用这两个特性，我们就可以用 ^ 运算来给文件加密。例如将一个二进制文件中所有的数据都异或 42 这个数字，就得到了一个加密后的文件，“42”就是这个文件的“钥匙”。将这个文件中的所有数据再异或 42，就完成了“解密”的过程。

不增加新的变量来交换 a，b 两个变量的值

交换 a，b 两个变量的值，几乎是每一个人在学编程的时候都要接触的。现在我们想这个问题，我有两个瓶子，A 瓶装着果汁，B 瓶装着醋，要是 A 瓶装醋，B 瓶装果汁，如何做呢？通常，我们会用下面这段代码：

int temp;
 
temp = a;
a = b;
b = temp;

这就像我们找来一个新瓶子 C，先将果汁倒入新瓶子，然后醋倒入 A，果汁再倒入 B。这是很容易想到的办法。那么如果没有别的瓶子了呢？看看这个：

a = a + b; //此时a包含a 和 b
b = a - b; 
a = a - b;

只有两个瓶子，那么我们只好把它们倒在一起，然后将混合物中的果汁倒入 B。不可思议是吗？别急，我们将果汁和醋倒在一起的时候，B 瓶还在，这可是程序呀，B 瓶仍然装着醋，这时我们就可以将（混合－醋）的值给 B，也就是果汁，再将（混合－果汁）的值给 A，完成！但是，这种方式有一个弊端：有可能 a＋b 的值会超出 int 型的范围。

基于同样的想法，我们还可以用一下的代码：

a = a ^ b; 
b = a ^ b;  //实际上是(a^b)^b 也就是a异或了b两次，等号右边是a的值
a = a ^ b;  //此时b里面已经是“果汁”，实际上是(a^b)^a，也就是b异或了a两次，是b

第一步之后，原来a占用了多少位依旧是多少位，绝对不会发生数据的溢出。

ps：为了程序的可读性，真正开发时要慎用后两种！

进制的转换（10进制转16进制为例）

接触位运算之前，进制转换我是这么操作的：

class turn10_16{
        public static void main(String[] args){
                int n = 200;                      //n就是待转换的数字
                boolean out_turn = false;         //输出时用，去掉出时时候高位的'0'
                int[] s = new int[20];            //将转换肉的十六进制数存放在s[]数组中                
                while(n > 10){
                        int i = 0;
                        s[i]++;
                        while(s[i] > 15){         //逢16进1，并且检查下一位
                                                  //是不是16，如果是，再进一
                                s[i] = 0;
                                i++;
                                s[i]++;
                        }
                        n--;                      //数完一个之后--，知道数完n个数
                }        
                for(int i = 19;i >= 0;i--){
                        if(out_turn == false){    //这个if是为了去掉最高位上的0
                                                  //其中out_turn作为开关
                                if(s[i] == 0){
                                        continue;
                                }
                                else{
                                        out_turn = true;
                                        i++;
                                }
                        }
                        else{                     //输出转换之后的结果，10输出A，类推
                                if(s[i] < 10){
                                        System.out.println(s[i]);
                                }
                                else{
                                        System.out.println((char)('A' + (s[i] - 10)));
                                }
                        }
                }
                System.out.println();
        }
}

这种转换就像数数，一共有多少个，我来用十六进制的方法再数一遍，逢 16 进 1，数完为止。这种方法的弊端就是效率低，而且不能转换负数。

我们知道，10 进制的数据在计算机中使用2进制来存储的，而 16 进制的出现也是为了阅读性强，使4个位置放在一起计数。那么理论上，用“位运算”来操作，效率肯定会高。

class turn10_16{
        public static void main(String[] args){                
        int n=200;                                //n就是代转换的数字
        boolean out_turn=false;                   //输出时用，去掉输出时候高位上的‘0’
        int[] s=new int[20];                      //将转换后的十六进制数存放在s［］数组中
        for(int i=0;i<=8;i++){                    //int型占用了8个byte位置，每个byte即一个16进制，
                                                  //每次保留一个byte并且转换成16进制，至少要8次（可以优化）
            int temp= n & 15;                     //与0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-1111进
                                                  //行&运算，只保留最后4个位置即“个位”上的数
            s[i]=temp;                            //将这个数赋给个位
            n=n>>>4;                              //无符号右移4个位置，再保留出十位上的数
        }
        for(int i=19;i>=0;i--){
            if(out_turn == false){                //这个if是为了去掉最高位上的0，其中out_turn作为
                                                  //开关；
                if(s[i]==0)
                    continue;
                else{
                    out_turn=true;
                    i++;
                }
            }
            else{                                //输出转换之后的结果，10输出A，类推
                if(s[i]<10)
                    System.out.print(s[i]);
                else
                    System.out.print((char)('A'+(s[i]-10)));
            }
        } 
        System.out.println();
    }
}

总结：如此看来，位元算还是很有必要学习的。基于计算机只认识 0 和 1，很多关于内存的操作用位运算效率会提高不少，毕竟我们是与计算机打交道。像  *2/2 运算、取绝对值运算，取相反数运算等等，直接对内存进行移位或者反码，快了不少。

无论学习什么东西，基础、原理性质的东西一定要好好学。不要以为用的少了就不重视。

更多位元算的功能：

911博客：http://www.cnblogs.com/911/archive/2008/05/20/1203477.html

csdn／人在江湖：http://blog.csdn.net/zmazon/article/details/8262185