按位运算符究竟如何在Java中工作？

Question

我目前正在尝试在Java中围绕位和位移运算符。虽然它们在简化的玩具示例（基本上是正整数）中对我来说是有意义的，但是一旦涉及负数，我的理解就会崩溃，在其他一些情况下也是如此。我尝试用两个搜索引擎在互联网上搜索，我甚至检查了Java规范。我找不到任何正确描述按位和位移运算符在Java中如何工作的来源。Java标准库中特别让我感到困惑的一个函数是 。来自 OpenJdk 的源代码如下所示（LGPLv2 具有类路径异常），并在爪哇文档中摘录：java.lang.Integer.toUnsignedLong(int)/** * 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，“长整型的高位32位为零，低阶32位等于整数参数的位。但是，我不明白这如何从方法体内部的代码中得出。在阅读该方法时，以下是我对正x的思路：当整数转换为 long 时，其符号位/最高有效位为零。因此，长整型符号位/最高有效位为零，低位等于整数的位。由于 long 具有所有最低阶 4 字节，并且由于只有这些字节中包含数据，因此此掩码不起作用，并且返回正确的结果。0xffffffff然而，当在负面的背景下阅读它时，我的理解就崩溃了：x当整数为 cst 到 long 时，其符号位/最高有效位为 1。因此，长号的符号位/最有效位是一，低阶位等于整数的位，除了第四个最低有效字节的最有效位是零，当它在整数中为1时。由于 long 在最低顺序为 4 个字节中具有所有 1，在最高顺序的 4 个字节中具有零，因此它具有更改长整型上的符号位的唯一效果，并使四个最低有效位中的错误整数保持不变。因此，它从此方法返回错误的答案，其中整数的符号位在移动到长整型时会更改。0xffffffff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Java中按位运算符或其两个补码整数表示的一个或多个基本点，我希望这个问题可以澄清这些要点。

Answer 1

按位运算符的工作方式完全符合您的预期。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为简单。对于您的具体示例，我将操作的步骤转换为原子语句，并使用 打印结果。Long.toString

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 是操作外观的主要原因。在 Java 中，所有（严格数字）值都是有符号的（字符是无符号的）。这意味着，正如您正确指出的那样，所有最高位都是符号位。然而，有趣的部分是，如果一个数字是负数，那么其余位会做什么。以下主题已经涵盖了“二的补码”的基础知识：什么是“2的补码”？这个维基百科页面也是如此：https://en.wikipedia.org/wiki/Two%27s_complement

为了缩短它，在java中，对于整数：

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

因此，一切正常的原因是，如果整数为负数，则在强制转换时，整个上部 32 位将转换为 1，否则数字的表示值将发生变化。有效：

int x = 0b11111111_11111111_11111111_11000111;

转换为：

long xCast = 0b11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11000111;

由于您作为开发人员希望该方法仅返回初始设置的位，因此您必须从结果中屏蔽上位。这是在步骤 2 中完成的。

因此，您的示例的答案：Java中非浮动值的表示是二的补码，因此，当智能地将值从int转换为long时，对于负数，上面的位被1填充。因此，它们必须被删除。