1. 概述
在编程中，位运算是一种底层操作，用于直接操纵内存中数值的二进制位。这类操作包括按位逻辑运算、移位操作和位掩码（bitmask）处理。
Kotlin 提供了丰富的整数位操作函数，本文将系统梳理这些功能，并结合实际示例说明其用法。✅ 掌握这些技巧对性能敏感场景（如算法优化、网络协议解析）非常有帮助，属于高级开发必备技能。
⚠️ 注意：本文涉及的操作对象主要是 Kotlin 中的整型（Int, Long 等），默认以补码形式存储。
参考文档：Kotlin 数值类型
2. 按位逻辑运算
按位逻辑运算符会对两个整数的二进制表示逐位进行比较，生成新的整数值。
2.1 and 运算符
and 是最基本的按位与操作。只有当两个对应位都为 1 时，结果位才为 1，否则为 0。
@Test
fun `applies and bit operator on two integers`() {
val a = 0b00011110
val b = 0b01111000
assertEquals(0b00011000, a and b)
}
📌 踩坑提醒：不要把 and 和布尔逻辑 && 混淆。and 是位运算，&& 是条件判断。
2.2 or 运算符
or 表示按位或。只要任意一个操作数的对应位为 1，结果位就为 1。
@Test
fun `applies or bit operator on two integers`() {
val a = 0b00011110
val b = 0b01111000
assertEquals(0b01111110, a or b)
}
常用于“设置某一位”场景，例如权限标记合并。
2.3 xor 运算符
xor 是按位异或。当两个位不同时结果为 1，相同时为 0。
@Test
fun `applies xor bit operator on two integers`() {
val a = 0b00011110
val b = 0b01111000
assertEquals(0b01100110, a xor b)
}
✅ 典型用途：
- 交换两个变量无需临时变量（
a ^= b; b ^= a; a ^= b） - 判断两数是否符号不同
- 加密中的简单混淆
3. 位移运算
Kotlin 支持多种位移操作，常用于高效实现乘除 2 的幂次运算。
3.1 有符号与无符号整数
Kotlin 支持 有符号和无符号整数。理解这一点对正确使用右移至关重要。
- 有符号数：最高位（MSB）是符号位。
0表示正数，1表示负数。 - 无符号数：所有位都表示数值大小。
⚠️ 在做右移时，符号位是否扩展决定了行为差异。
3.2 左移 shl 操作符
shl 将二进制位向左移动指定位置，右侧补 0。等价于乘以 $2^n$。
@Test
fun `shifts bits left in an integer`() {
assertEquals(512, 128 shl 2) // 128 * 4 = 512
}
✅ 提示：相比 * 4，shl 2 性能更高，编译器通常会自动优化，但显式使用更语义化。
3.3 右移 shr 操作符
shr 是有符号右移，左侧根据原符号位填充（即“算术右移”）。等价于带符号的除以 $2^n$。
@Test
fun `shifts bits right in a positive integer`() {
assertEquals(32, 128 shr 2) // 128 / 4 = 32
}
处理负数时保留符号：
@Test
fun `shifts bits right in a negative integer`() {
val a = -128 // 11111111111111111111111110000000
val expected = -32 // 11111111111111111111111111100000
assertEquals(expected, a shr 2)
}
3.4 无符号右移 ushr 操作符
ushr 是无符号右移，无论原数正负，左侧一律补 0（即“逻辑右移”）。
@Test
fun `shifts unsigned bits right in an integer`() {
val a = -128 // 11111111111111111111111110000000
val expected = 1073741792 // 00111111111111111111111111100000
assertEquals(expected, a ushr 2)
}
📌 关键区别：
shr：保持符号，适合数学运算ushr：强制视为无符号处理，适合二进制数据解析（如字节流）
4. 位操作方法
从 Kotlin 1.4.0 起，标准库引入了一系列实用的位操作函数，极大简化了位掩码操作。详见更新日志
本文示例统一使用 UByte 类型（8 位无符号整数，范围 0~255），便于观察低位行为。转换时取原值的低 8 位。
4.1 取反：inv() 方法
inv() 返回整数的按位取反结果，即 0→1，1→0。
@Test
fun `inverts bits in an integer`() {
val a = 0b00011110.toUByte()
assertEquals(0b11100001.toUByte(), a.inv())
}
相当于 xor 0xFF，常用于掩码反转。
4.2 统计 1 的个数：countOneBits()
返回二进制表示中 1 的数量（又称“汉明重量”）。
@Test
fun `counts one bits in an integer`() {
val a = 0b00111110.toUByte()
assertEquals(5, a.countOneBits())
}
✅ 应用场景：校验和计算、稀疏性判断。
4.3 前导/后导零统计
countLeadingZeroBits()：从最高位开始连续0的个数countTrailingZeroBits()：从最低位开始连续0的个数
@Test
fun `counts leading and trailing zero bits in an integer`() {
val a = 0b00111110.toUByte()
assertEquals(2, a.countLeadingZeroBits()) // 开头两个0
assertEquals(1, a.countTrailingZeroBits()) // 结尾一个0
}
✅ 高效用途：快速估算对数、查找最低置位。
4.4 提取最高/最低位 1
takeHighestOneBit()：返回仅包含最高位1的数takeLowestOneBit()：返回仅包含最低位1的数
@Test
fun `takes highest and lowest one bit in an integer`() {
val a = 0b00111110.toUByte()
assertEquals(0b00100000, a.takeHighestOneBit()) // 第6位
assertEquals(0b00000010, a.takeLowestOneBit()) // 第2位
}
✅ 技巧：takeLowestOneBit() 等价于 x & -x，常用于树状数组（Fenwick Tree）。
4.5 循环移位：rotateLeft/rotateRight
循环移位会把移出的位重新填入另一端，不会丢失信息。
@Test
fun `rotates bits left and right in an integer`() {
val a = 0b00111110.toUByte()
assertEquals(0b11110001.toUByte(), a.rotateLeft(3))
assertEquals(0b11000111.toUByte(), a.rotateRight(3))
}
✅ 适用场景：加密算法、哈希函数、随机数生成。
5. 总结
Kotlin 提供了一套完整且现代化的位操作 API，涵盖：
- ✅ 基础按位运算：
and,or,xor - ✅ 三种右移：
shr（算术）、ushr（逻辑） - ✅ 实用位方法：计数、旋转、提取特定位
这些操作在底层开发、性能优化和算法题中极为常见。熟练掌握不仅能提升代码效率，还能增强对数据本质的理解。
所有示例代码已上传至 GitHub：Baeldung/kotlin-tutorials