1. 概述
在 Java 中，运算符用于对数据和变量进行操作。Java 提供了多种类型的运算符，包括算术、关系、逻辑、赋值以及位运算符（Bitwise Operators）。
本篇文章将深入讲解 Java 中的位运算符，包括其工作原理、分类和实际应用。
2. 位运算符简介
✅ 位运算符直接操作整数类型的二进制位，适用于 long、int、short、char 和 byte 类型。
它们的工作流程如下：
- 将操作数转换为二进制形式
- 对每一位按照运算符规则进行操作
- 最后将结果转换回十进制
举个例子：
int value1 = 6;
int value2 = 5;
执行如下位运算：
int result = 6 | 5;
对应的二进制表示为：
value1 = 0110
value2 = 0101
进行 OR 运算后：
0110
0101
-----
0111
结果 0111 转换回十进制就是 7。
位运算符分类
位运算符可以分为两大类：
- 位逻辑运算符：AND、OR、XOR、NOT
- 位移运算符：左移、右移、无符号右移
接下来我们逐个来看。
3. 位逻辑运算符
3.1. 位或运算（|）
✅ OR 运算符对两个整数的每一位进行比较，只要有一个为 1，则结果为 1。
这与布尔逻辑中的 || 类似。
示例代码：
@Test
public void givenTwoIntegers_whenOrOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value1 = 6;
int value2 = 5;
int result = value1 | value2;
assertEquals(7, result);
}
二进制运算过程：
0110
0101
-----
0111
3.2. 位与运算（&）
✅ AND 运算符对两个整数的每一位进行比较，只有当两个位都为 1 时，结果才为 1。
类似于布尔逻辑中的 &&。
示例代码：
@Test
public void givenTwoIntegers_whenAndOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value1 = 6;
int value2 = 5;
int result = value1 & value2;
assertEquals(4, result);
}
二进制运算过程：
0110
0101
-----
0100
结果为十进制 4。
3.3. 位异或运算（^）
✅ XOR 运算符比较两个整数的每一位，如果不同则为 1，相同则为 0。
示例代码：
@Test
public void givenTwoIntegers_whenXorOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value1 = 6;
int value2 = 5;
int result = value1 ^ value2;
assertEquals(3, result);
}
二进制运算过程：
0110
0101
-----
0011
结果为十进制 3。
3.4. 位取反运算（~）
✅ 取反运算符对整数的每一位进行翻转，0 变 1，1 变 0。
⚠️ 注意：Java 中整数采用补码形式存储，因此取反后的结果会是一个负数。
示例代码：
@Test
public void givenOneInteger_whenNotOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value1 = 6;
int result = ~value1;
assertEquals(-7, result);
}
运算过程如下：
value1 = 0000 0110
~value1 = 1111 1001
由于最高位为 1，表示负数，因此需要进一步计算补码：
1111 1001 -> 0000 0110 + 1 -> 0000 0111 = 7
最终结果为 -7。
3.5. 位运算符真值表
| A | B | A|B | A&B | A^B | ~A |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
4. 位移运算符
位移运算符用于将整数的所有位向左或向右移动指定的位数。
语法如下：
value <operator> <number_of_times>
4.1. 有符号左移（<<）
✅ 左移运算符将所有位向左移动，右侧空位补 0。
⚠️ 每左移一位相当于乘以 2，左移 n 位相当于乘以 2^n。
示例：
@Test
public void givenOnePositiveInteger_whenLeftShiftOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value = 12;
int leftShift = value << 2;
assertEquals(48, leftShift);
}
二进制表示：
12 = 00001100
<<2 = 00110000 = 48
负数同样适用：
@Test
public void givenOneNegativeInteger_whenLeftShiftOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value = -12;
int leftShift = value << 2;
assertEquals(-48, leftShift);
}
4.2. 有符号右移（>>）
✅ 右移运算符将所有位向右移动，左侧空位根据符号位填充。
- 正数补 0
- 负数补 1
示例：
@Test
public void givenOnePositiveInteger_whenSignedRightShiftOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value = 12;
int rightShift = value >> 2;
assertEquals(3, rightShift);
}
二进制表示：
12 = 00001100
>>2 = 00000011 = 3
负数示例：
@Test
public void givenOneNegativeInteger_whenSignedRightShiftOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value = -12;
int rightShift = value >> 2;
assertEquals(-3, rightShift);
}
4.3. 无符号右移（>>>）
✅ 无符号右移不管正负，左侧空位一律补 0。
示例（正数）：
@Test
public void givenOnePositiveInteger_whenUnsignedRightShiftOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value = 12;
int unsignedRightShift = value >>> 2;
assertEquals(3, unsignedRightShift);
}
负数示例：
@Test
public void givenOneNegativeInteger_whenUnsignedRightShiftOperator_thenNewDecimalNumber() {
int value = -12;
int unsignedRightShift = value >>> 2;
assertEquals(1073741821, unsignedRightShift);
}
5. 位运算符与逻辑运算符的区别
| 特性 | 位运算符 | 逻辑运算符 |
|---|---|---|
| 操作对象 | 二进制位（整数） | 布尔表达式 |
| 返回值类型 | 整数 | boolean |
| 短路特性 | 无（总是计算两边） | 有（如 &&、 |
| 使用场景 | 位操作、底层控制 | 条件判断 |
6. 实际应用场景
位运算符虽然看起来“底层”，但其实际用途非常广泛：
- ✅ 通信协议解析：处理数据包头部的标志位
- ✅ 嵌入式开发：精确控制寄存器中的某一位
- ✅ 加密算法：如 XOR 用于简单加密
- ✅ 数据压缩：通过位操作减少存储空间
7. 总结
本文全面介绍了 Java 中的位运算符及其使用方式，包括逻辑运算和位移运算，并通过示例说明了它们在实际开发中的应用场景。
虽然位运算在日常业务开发中使用频率不高，但在性能敏感、底层控制、协议解析等场景中却非常实用。
所有示例代码均可在 GitHub 上获取：https://github.com/eugenp/tutorials/tree/master/core-java-modules/core-java-lang-operators