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Java 包装类的二进制操作

news 2025/8/2 17:33:07

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。