java二進制相關基礎

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說在前面

以前在JVM菜鳥進階高手之路十（基礎知識開場白）的時候簡單提到了二進制相關問題，最近在看RocketMQ的源碼的時候，發現涉及二進制的內容蠻多，jdk源碼裏面也是有不少涉及到二進制相關的操做，今天這篇文章僅僅是掃盲篇，後續會介紹靈活運用篇。

說明

任何東西都有規範，提到JAVA就會提到2個規範，JAVA語言規範、JVM規範。JAVA語言規範主要定義JAVA的語法、變量、類型、文法等等，JVM規範主要定義Class文件類型、運行時數據、幀棧、虛擬機的啓動、虛擬機的指令集等等。

• JAVA語言規範主要定義什麼是JAVA語言。
• JVM規範主要定義JVM內部實現，二進制class文件和JVM指令集等。

規範中數字的內部表示和存儲

JAVA八種基本數據類型： 整形：byte,short,int,long 浮點型：float,double 布爾型：boolean 字符型：char

數據類型	所佔位數
int	32bit
short	16bit
long	64bit
byte	8bit
char	16bit
float	32bit
double	64bit
boolean	1bit

**備註：**1字節=8位(1 byte = 8bit)

整數的表示

• 源碼：第一位爲符號位（0表示正數，1表示負數）。
• 反碼：符號位不動，原碼取反。
• 負數補碼：符號位不動，反碼加1。
• 正數補碼：和源碼相同。

**備註：**補碼的好處：

• 使用補碼能夠沒有任何歧義的表示0。
• 補碼能夠很好的參與二進制的運算，補碼相加符號位參與運算，這樣就簡單不少了。

浮點數表示

在上圖中，咱們瞭解到Float與Double都是支持IEEE 754

咱們以float來講明：

IEEE754單精度浮點格式共32位，包含三個構成字段：23位小數f，8位偏置指數e，1位符號s。將這些字段連續存放在一個32位字裏，並對其進行編碼。其中0:22位包含23位的小數f； 23:30位包含8位指數e；第31位包含符號s。

一個實數V在IEEE 754標準中能夠用V＝(－1)s×M×2E 的形式表示，說明以下：

• 符號s(sign)決定實數是正數(s＝0)仍是負數(s＝1)，對數值0的符號位特殊處理。
• 有效數字M（significand）是二進制小數，M的取值範圍在1≤M＜2或0≤M＜1。
• 指數E（exponent）是2的冪，它的做用是對浮點數加權。

符號位	指數位	小數位
1位	8位	23位

例如根據IEEE754，計算11000001000100000000000000000000的單精度浮點的值。

解題：

1	10000010	00100000000000000000000
符號位	指數	尾數因爲指數不是所有爲0 因此小數位附加1
1	10000010	**1.**00100000000000000000000
-1	2^(130-127)	(2^0 + 2^-3)

結論： -1 * (2^0 + 2^-3) * 2^(130-127) =-9

一樣，你也能夠驗證一下十進制浮點數0.1的二進制形式是否正確，你會發現，0.1不能表示爲有限個二進制位，所以在內存中的表示是舍入(rounding)之後的結果，即 0x3dcccccd, 十進制爲0.100000001， 偏差0.000000001由此產生了。

說到這裏JVM菜鳥進階高手之路十（基礎知識開場白）的有些問題其實都解答了，因此涉及到錢的小數類型必須使用BigDecimal，禁止使用float和double。

進制的概念

咱們經常使用的進制有二進制、八進制、十進制和十六進制，十進制是最主要的表達形式。

二進制是0和1；八進制是0-7；十進制是0-9；十六進制是0-9+A-F（大小寫都可）。

位運算符

按位與（&）

兩位全爲1，結果才爲1：

0&0=0； 
0&1=0； 
1&0=0；   
1&1=1； 
複製代碼

用法：

• 清零：若是想要一個單位清零，那麼使其所有二進制爲0，只要與一個各位都爲零的數值想與，結果爲零。
• 取一個數中指定位：找一個數，對應X要取的位，該數的對應位爲1，其他位爲零，此數與X進行「與運算」能夠獲得X中的指定位。

例如：設X=1010 1110，取X的低4位，用X & 0000 1111 = 0000 1110 就能夠獲得。

按位或（|）

只要有一個爲1，結果就爲1：

0|0=0；  
0|1=1； 
1|0=1； 
1|1=1；
複製代碼

**用法：**經常使用來對一個數據的某些位置1；找到一個數，對應X要置1的位，該數的對應位爲1，其他位爲零。此數與X相或可以使X中的某些位置1。

例如：將X=1010 0000 的低四位置1，用X | 0000 1111 =1010 1111 就能夠獲得。

異或運算（^）

**兩個相應位爲「異」（值不一樣），則該位結果爲1，不然爲0: **

0^0=0；
0^1=1；
1^0=1；
1^1=0；
複製代碼

用法：

• 使特定位翻轉：找一個數，對應X要翻轉的各位，該數的對應位爲1，其他位爲零，此數與X對應位異或就能夠獲得； 例如：X=1010 1110,使X低4位翻轉，用X ^ 0000 1111 = 1010 0001就能夠獲得
• 與0相異或，保留原值 例如：X ^ 0000 0000 = 1010 1110
• 兩個變量交換值的方法： 一、藉助第三個變量來實現： C=A; A=B; B=C; 二、 利用加減法實現兩個變量的交換：A=A+B; B=A-B;A=A-B; 三、用位異或運算來實現：利用一個數異或自己等於0和異或運算符合交換律 例如：A = A ^ B; B = A ^ B; A = A ^ B;

取反運算（~）

對於一個二進制數按位取反，即將0變1，1變0： ~1=0; ~0=1;

左移運算（<<）

• 將一個運算對象的各二進制位所有左移若干位（左邊的二進制丟棄，右邊補零） 2<<1 = 4 : 10 <<1 =100=4
• 若左移時捨棄的高位不包括1，則每左移一位，至關於該數乘以2。 -14（二進制：1111 0010）<< 2= (1100 1000) （高位包括1，不符合規則）

右移運算（>>）

將一個數的各二進制位所有右移若干位，正數左補0，負數左補1，右邊丟棄。操做數每右移一位，至關於該數除以2.

左補0 or 補1 得看被移數是正仍是負。 例：4 >> 2 = 1 例：-14(1111 0010) >> 2 = -4 (1111 1100 )

無符號右移運算（>>>）

各個位向右移指定的位數。右移後左邊突出的位用零來填充。移出右邊的位被丟棄 各個位向右移指定的位數。右移後左邊突出的位用零來填充。移出右邊的位被丟棄 例如： -14>>>2
即-14（1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0010）>>> 2 =（0011 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100） = 1073741820

Java打印整數的二進制表示

int a = 1120429670;
for (int i = 0; i < 32; i++) {
	int t = (a & 0x80000000 >>> i) >>> (31 - i);
	System.out.print(t);
}
複製代碼

說明：

• 0x80000000是數的十六進制表示，轉成二進制表示爲10000000000000000000000000000000
• 運算的優先級，移位運算高於邏輯運算，>>>高於&
• 位邏輯與運算 1&1 = 1 ，0&1 = 0
• >>>無符號右移，移出部分捨棄，左邊位補0；

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