如何在Java中用位操作符进行位掩码操作?

大家好,我是指北君。

在本文中,我们来看看如何使用位操作符实现低级别的位掩码。我们将看到我们如何将一个单一的int变量作为一个单独的数据容器。

位掩码

位掩码允许我们在一个数字变量中存储多个值。我们不再把这个变量看作一个整数,而是把它的每一个比特当作一个独立的值。

因为一个比特可以等于 0 或 1,我们也可以把它看成是 false 或 true 。我们也可以把一组比特切开,把它们当作一个较小的数字变量甚至是一个String

举个例子

假设我们有一个最小的内存空间,并且需要在一个int变量中存储所有关于用户账户的信息。前八位(来自32个可用位)将存储boolean信息,如 “该账户是否激活?”或 “该账户是否溢价?”

至于剩下的24位,我们将把它们转换成三个字符,作为用户的标识符。

编码

我们的用户将有一个标识符 “AAA”,他将有一个活跃的高级账户(存储在前两个比特)。在二进制表示中,它将看起来像。

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String stringRepresentation = "01000001010000010100000100000011";

使用内置的Integer#parseUnsignedInt方法,可以很容易地将其编码为一个int变量。

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int intRepresentation = Integer.parseUnsignedInt(stringRepresentation, 2);
assertEquals(intRepresentation, 1094795523);

解码

这个过程也可以用 Integer#toBinaryString 方法来反转。

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String binaryString = Integer.toBinaryString(intRepresentation);
String stringRepresentation = padWithZeros(binaryString);
assertEquals(stringRepresentation, "01000001010000010100000100000011");

提取一个比特

第一比特

如果我们想检查我们账户变量的第一位,我们只需要使用顺位 and 运算符和数字 1 作为掩码。因为数字 1在二进制形式中只有第一位被设置为1,其余的都是0,它将从我们的变量中删除所有的位,只留下第一个完整的位。

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10000010100000101000001000000011
00000000000000000000000000000001
-------------------------------- &
00000000000000000000000000000001

然后我们需要检查产生的值是否不等于零。

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intRepresentation & 1 != 0

任意位置的位

如果我们想检查其他的位,我们需要创建一个适当的掩码,这个掩码需要在给定的位置上有一个位设置为1,其余的设置为0。最简单的方法是对我们已有的掩码进行移位。

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1 << (position - 1)

上面这行代码的位置变量设置为3,将把我们的掩码从 00000000000000000000000000000001 变成

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00000000000000000000000000000100

因此,现在,比特方程将看起来像这样。

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10000010100000101000001000000011
00000000000000000000000000000100
-------------------------------- &
00000000000000000000000000000000

把所有这些放在一起,我们可以写一个方法来提取给定位置上的单个比特。

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private boolean extractValueAtPosition(int intRepresentation, int position) {
    return ((intRepresentation) & (1 << (position - 1))) != 0;
}

为了达到同样的效果,我们也可以将intRepresentation变量向相反方向移动,而不是改变掩码。

提取多个比特

我们可以用类似的方法从一个整数中提取多个比特。让我们提取我们的用户帐户变量的最后三个字节,并将其转换为一个字符串。首先,我们需要通过将变量向右移动来摆脱前八位的影响。

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int lastThreeBites = intRepresentation >> 8;
String stringRepresentation = getStringRepresentation(lastThreeBites);
assertEquals(stringRepresentation, "00000000010000010100000101000001");

我们仍然有32位,因为int总是有32位。然而,现在我们只对前24位感兴趣,其余的都是零,会很容易被忽略。我们创建的int变量可以很容易地用作整数ID,但是因为我们想有一个字符串ID,所以我们还有一个步骤要做。

我们将把二进制的字符串表示法分成8个字符的组,把它们解析成char变量,然后把它们连接成一个最终的String

为了方便起见,我们还将忽略空字节。

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Arrays.stream(stringRepresentation.split("(?<=\G.{8})"))
  .filter(eightBits -> !eightBits.equals("00000000"))
  .map(eightBits -> (char)Integer.parseInt(eightBits, 2))
  .collect(StringBuilder::new, StringBuilder::append, StringBuilder::append)
  .toString();

应用一个比特掩码

我们也可以创建一个掩码来同时检查许多位,而不是提取和检查单个位的值。我们想检查我们的用户是否有一个活跃的高级账户,所以他的变量的前两个比特都设置为1。

我们可以用以前的方法分别检查它们,但创建一个掩码来选择它们,会更快。

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int user = Integer.parseUnsignedInt("00000000010000010100000101000001", 2);
int mask = Integer.parseUnsignedInt("00000000000000000000000000000011", 2);
int masked = user & mask;

因为我们的用户有一个活跃的账户,但它不是高级账户,所以被屏蔽的值将只有第一个比特被设置为1。

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assertEquals(getStringRepresentation(masked), "00000000000000000000000000000001");

现在,我们可以轻松而廉价地断言一个用户是否符合我们的条件。

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assertFalse((user & mask) == mask);

总结

在本教程中,我们学习了如何使用位运算符来创建位掩码,并应用它们来从整数中提取二进制信息。

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