Question

我目前正在尝试用Java中的按位和移位运算符来解决问题。尽管在简化的玩具示例（基本上是正整数）中它们对我有意义，但一旦涉及负数，在其他情况下，我的理解就会瓦解。我尝试使用两个搜索引擎在Internet上进行搜索，甚至检查了Java规范。我找不到任何能正确描述Java中按位和移位运算符工作方式的资料。

java.lang.Integer.toUnsignedLong(int)是Java标准库中令我特别困惑的一个函数。此处显示了来自OpenJdk的源（带有类路径异常的LGPLv2），以及Javadoc中的摘录：

/**
 * Converts the argument to a {@code long} by an unsigned
 * conversion.  In an unsigned conversion to a {@code long}, the
 * high-order 32 bits of the {@code long} are zero and the
 * low-order 32 bits are equal to the bits of the integer
 * argument.   
 */
public static long toUnsignedLong(int x) {
    return ((long) x) & 0xffffffffL;
}

根据上面复制的官方文档，“ long的高阶32位为零，lower的32位等于integer参数的位。”但是，我从方法主体内部的代码中看不出这是怎么回事。

在阅读该方法时，以下是我对正x的思路：

将整数强制转换为long时，其符号位/最高有效位为零。这样，长号的符号位/最高有效位为零，而低序位则等于整数。
由于长0xffffffff的最低4个字节全为1，并且因为只有这些字节中才包含数据，所以此掩码无效，并且返回正确的结果。

但是，如果在否定的x语境下阅读该书，我的理解就会崩溃：

当整数cst为long时，其符号位/最高有效位为1。这样，长整数的符号位/最高有效位是1，而低序位等于整数的那些位，除了第四低有效字节的最高有效位为整数时为零。
由于长0xffffffff在最低4字节中全为1，在最高4字节中全为零，因此它唯一的改变长整数上的符号位的作用，并保持不正确的整数保留四个最低有效位。这样，它会从该方法返回错误的答案，即整数的符号位随着移入长整数而改变。

但是，当我测试此方法时，我得到的结果与Javadoc一致。我怀疑我误解了有关Java或其二进制补码整数表示形式的位运算符的一个或多个基本要点，我希望这个问题可以澄清这些要点。

Answer 1

按位运算符完全按照您的预期工作。它们是严格的位运算符，根本不考虑位的语义。

有时，使用断点运行代码最简单。对于您的特定示例，我将操作步骤转换为原子语句，并用Long.toString打印了结果。

int x = -57;

// step 1:
long xCast = (long) x;
System.out.println(Long.toString(xCast, 2)); // -1110011 - this is not the bitwise representation however.

long mask = 0xffffffffL;
System.out.println(Long.toString(mask, 2)); // 11111111111111111111111111111111

// step 2:
long result = ((long) x) & mask;
System.out.println(Long.toString(result, 2)); // 11111111111111111111111111000111

步骤1是操作看起来像它的主要原因。在Java中，所有（严格数字）值都是带符号的（字符是无符号的）。这就是说，正如您正确指出的那样，所有最高位都是符号位。但是，有趣的部分是，如果数字为负，其余位的作用是什么。以下线程已经介绍了“二进制补码”的基础知识： What is “2's Complement”? 维基百科页面也是如此：https://en.wikipedia.org/wiki/Two%27s_complement

简而言之，用Java表示整数：

int zero = 0; // == 0b00000000_00000000_00000000_00000000

int maxPositive = Integer.MAX_VALUE; // == 0b01111111_11111111_11111111_11111111

int minus1 = -1; // == 0b11111111_11111111_11111111_11111111

int minNegative = Integer.MIN_VALUE; // == 0b10000000_00000000_00000000_00000000

所以一切顺利的原因是，如果整数为负数，则在将其强制转换时，整个高32位将转换为1，否则数字的表示值将发生变化。有效地：

int x = 0b11111111_11111111_11111111_11000111;

强制转换为：

long xCast = 0b11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11000111;

由于开发人员希望该方法仅返回初始设置的位，因此您必须屏蔽结果中的高位。这是在第2步中完成的。

因此，您的示例的答案是：Java中非浮点值的表示是二进制补码，因此，当将值从int智能转换为long时，高位用1填充以表示负数。因此必须将它们删除。

确切地讲，按位运算符如何在Java中工作？

1 个答案: