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Java 包装类的二进制操作

Integer

位翻转

位翻转就是将二进制左边的位与右边的位进行互换,reverse 是按位进行互换, reverseBytes 是按 byte 进行互换。

public static int reverse(int i)public static int reverseBytes(int i)

来看个例子:

int a = 0x12345678;
System.out.println(Integer.toBinaryString(a));
// 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000int r = Integer.reverse(a);
System.out.println(Integer.toBinaryString(r));
// 0001 1110 0110 1010 0010 1100 0100 1000int rb = Integer.reverseBytes(a);
System.out.println(Integer.toHexString(rb));
// 0111 1000 0101 0110 0011 0100 0001 0010

reverse 的实现:

public static int reverse(int i) {//HD, Figure 7-1i = (i & 0x55555555) << 1 | (i >>> 1) & 0x55555555;i = (i & 0x33333333) << 2 | (i >>> 2) & 0x33333333;i = (i & 0x0f0f0f0f) << 4 | (i >>> 4) & 0x0f0f0f0f;i = (i << 24) | ((i & 0xff00) << 8) |((i >>> 8) & 0xff00) | (i >>> 24);return i;
}

高效实现位翻转的基本思路是:首先交换相邻的单一位,然后以2位为一组,再交换相邻的位,接着是4位一组交换、然后是8位、16位,16位之后就完成了。

i = (i & 0x55555555) << 1 | (i >>> 1) & 0x55555555; 是对单一位进行翻转。

x & 0x55555555 是取 x 的奇数位。
& 运算符的优先级比 | 运算符高。

i = (i & 0x33333333) << 2 | (i >>> 2) & 0x33333333; 是以两位为一组,对相邻位进行互换。

x & 0x33333333 是取 x 以两位为一组的奇数位。

reverse 代码为什么不能用更容易理解的方式写吗?比如,实现翻转,一种常见的思路是:第一个和最后一个交换,第二个和倒数第二个交换,直到中间两个交换完成。如果数据不是二进制位,这个思路是好的,但对于二进制位,这个思路的效率比较低。

CPU指令并不能高效地操作单个位,它操作的最小数据单位一般是32位(32位机器),另外,CPU可以高效地实现移位和逻辑运算,但实现加、减、乘、除运算则比较慢。reverse是在充分利用CPU的这些特性,并行高效地进行相邻位的交换,可以通过其他更容易理解的方式实现相同功能,但很难比这个代码更高效。

reverseBytes 的实现:

public static int reverseBytes(int i) {return ((i >>> 24))| ((i >>    8) &    0xFF00)| ((i <<    8) & 0xFF0000)| ((i << 24));
}

循环移位

Integer 有两个静态方法可以进行循环移位。

public static int rotateLeft(int i, int distance)
public static int rotateRight(int i, int distance)

所谓循环移位,是相对于普通的移位而言的,普通移位,比如左移2位,原来的最高两位就没有了,右边会补0,而如果是循环左移两位,则原来的最高两位会移到最右边。

源码实现:

public static int rotateLeft(int i, int distance) {return (i << distance) | (i >>> -distance);
}public static int rotateRight(int i, int distance) {return (i >>> distance) | (i << -distance);
}

令人费解的是负数,如果 distance 是 8,那 i>>>-8 是什么意思呢?

实际的移位个数不是后面的直接数字,而是直接数字的最低 5 位的值,之所以这样,是因为 5 位最大表示 31,移位超过 31 位对 int 整数是无效的。

valueOf

public static Integer valueOf(int i) {if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];return new Integer(i);
}

IntegerCache表示Integer缓存,其中的cache变量是一个静态Integer数组,在静态初始化代码块中被初始化,默认情况下,保存了-128~127共256个整数对应的Integer对象。

在valueOf代码中,如果数值位于被缓存的范围,即默认-128~127,则直接从Integer-Cache中获取已预先创建的Integer对象,只有不在缓存范围时,才通过new创建对象。

通过共享常用对象,可以节省内存空间,由于Integer是不可变的,所以缓存的对象可以安全地被共享。

Character

Unicode

Unicode给世界上每个字符分配了一个编号,编号范围为0x000000~0x10FFFF。编号范围在0x0000~0xFFFF的字符为常用字符集,称BMP(Basic Multilingual Plane)字符。编号范围在0x10000~0x10FFFF的字符叫做增补字符(supplementary character)。

Unicode主要规定了编号,但没有规定如何把编号映射为二进制。UTF-16是一种编码方式,或者叫映射方式,它将编号映射为2个或4个字节,对BMP字符,它直接用两个字节表示;对于增补字符,使用4个字节表示,前两个字节叫高代理项(high surrogate),范围为0xD800~0xDBFF,后两个字节叫低代理项(low surrogate),范围为0xDC00~0xDFFF。UTF-16定义了一个公式,可以将编号与4字节表示进行相互转换。

Java内部采用UTF-16编码,char表示一个字符,但只能表示BMP中的字符,对于增补字符,需要使用两个char表示,一个表示高代理项,一个表示低代理项。

使用int可以表示任意一个Unicode字符,低21位表示Unicode编号,高11位设为0。整数编号在Unicode中一般称为代码点(code point),表示一个Unicode字符,与之相对,还有一个词代码单元(code unit)表示一个char。

参考:《Java 编程的逻辑》马俊昌

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