您好，我是賈斯汀，歡迎又進來學習啦！

【學習背景】

學習Java的小伙伴，都知道想要提升個人技術水平，閱讀JDK源碼少不了，但是說實話還是有些難度的，底層源碼實現的原理離不開各種常用的數據結構和算法，很多時候還會用到各種位運算，比如面試必問和工作寫爛透了的HashMap，就一個put(key,value)添加元素的底層實現，就用到了各種位運算知識，不對位運算略知一二，你還真讀不懂它的源碼，所以本文主要對Java中的幾種位運算以及常見進制的說明，還會以HashMap底層實現添加元素四部曲展開說明，希望能提高提升自己對源碼的理解，也希望能幫助到有需要的小伙伴~

進入正文~

常見幾種進制？

• 二進制（Binary）

數值范圍0,1，滿2進1
以0b或0B開頭
bit比特是計算機最小存儲單元，1個bit占用1個二進制位即0或1
1個byte字節有8個bit即占用8個二進制位
int整型4字節占用32個二進制位
二進制左半部分表示高位，右半部分為低位
二進制最高位為0表示正數，最高位為1表示負數
二進制原碼取反得到反碼，反碼補1得到補碼，負數使用補碼表示

• 八進制（Octal）

數值范圍0-7,滿8進1
以數字0開頭表示

• 十進制（Decimal）

數值范圍0-9 ，滿10進1
日常阿拉伯數字即十進制

• 十六進制（Hexadecimal）

數值范圍0-9及A-F，滿16進1
以0x或0X開頭表示。 此處的A-F不區分大小寫

Java八種按位運算？

• 按位與（&）

都為1則得1

• 按位或（|）

有一個為1即得1

• 按位異或（^）

不同得1，相同得0

• 按位取反（~）

取反即1變0、0變1

• 按位左移（<<）

按位左移幾位，高位會被截掉幾位，正負數，低位都會被補幾個0

• 按位右移（>>）

按位右移幾位，低位就會被截掉幾位，正數高位會被補幾個0，負數高位會被補幾個1

• 按位無符號右移（>>>）

按位右移幾位，低位就會被截掉幾位，正負數數高位會被補幾個0

• 按位無符號左移（<<<）

按位左移幾位，高位就會被截掉幾位，正負數數低位都會被補幾個0

HashMap添加元素四步曲用到的位運算？

前奏：HashMap如何添加一個元素？

HashMap底層數據結構是數組+鏈表，通過put(K key, V value)方法添加元素，底層四步曲如下：

• 第一步曲：根據key得到hashCode值
• 第二步曲：根據hashCode值計算出hash值
• 第三步曲：根據hash值計算出元素(key/value)最終要放在哪個數組index下標
• 第四步曲：最后根據元素(key/value)新建節點并保存到指定數組index下標位置

Java HashMap添加元素的示例代碼：

        HashMap<Object, Object> map = new HashMap<>();
        map.put("name","Justin");

HashMap底層put(key,value)方法源碼：

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

接下來將解讀底層源碼用到哪些位運算，有什么奧妙之處

第一步曲

根據key得到hashCode值
可以看到hash值計算的過程就用到了^（異或）和>>>(無符號右移)兩種位運算

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

這里key是字符串"name"，String重寫了計算字符串hashCode值的hashCode()方法，源碼如下：

計算得到hashCode值為3373707

第二步曲

根據hashCode值計算出hash值
(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16) 即 (3373707) ^ (3373707 >>> 16)
3373707二進制表達
0000000001100110111101010001011
h >>> 16二進制表達
00000000000000000000000000110011
根據^異或運算原理即不同得1，相同得0得到3373707 ^ (3373707 >>>16)二進制結果為：
0000000001100110111101010111000
進制在線轉換：http://tools.jb51.net/transcoding/hexconvert

即計算key的hash值得到3373752，斷點往后查看hash值剛好也是這個值

第三步曲

根據hash值計算出元素(key/value)最終要放在哪個數組index下標
公式：i = (n - 1) & hash
這里就用到了&按位與運算（都為1則得1）

公式(n - 1) & hash 的奧妙之處在于，n表示HashMap中的數組容量大小，并且剛好是16,32,64…2的次方，這種情況其實是等效于 hash % n 取模，計算出的數組index下標值一樣，還能夠保證不會數組下標越界

但是HashMap這里沒有使用%取模，因為hash值是int整型即十進制數值，使用%取模會先將內存數據轉成十進制再進行運算，多了這部分的性能開銷，因此效率比較低

HashTable底層倒是用的%取模，hash值與十六進制0x7FFFFFFF做按位與運算目的是為了保證hash值始終是正數

有的小伙伴可能會問了，使用%取模計算，那這里為啥HashTable還在用，我想說的是其實也可以優化，只不過HashTable本身就是主打synchronized線程安全，也就不考慮優化%取模為位運算了

第四步曲

最后根據元素(key/value)新建節點并保存到指定數組index下標位置

    Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        return new Node<>(hash, key, value, next);
    }

終曲：為什么HashMap底層源碼用這么多位運算？

關于位運算的使用，文中在介紹第三步曲時，也提到了HashMap計算數組下標使用%取模和位運算的問題，使用于位運算的奧妙之處在直接從內存讀取數據進行計算，不需要轉成十進制，如果使用%取模需要先轉成十進制，有性能開銷，效率比較低

HashMap底層除了文中提到的^按位異或、>>>無符號右移、&按位與位運算，其實在HashMap的擴容機制resize()中，還用到了<<左移運算
oldCap << 1

這里oldCap << 1剛好是兩倍，可以總結的說一個數與n進行左移運算，結果為這個數乘以2的n次方
oldCap << 1 等值 oldCap = oldCap * (2的n次方)
同理，一個數與n進行右移運算結果為這個數除以2的n次方
oldCap >> 1 等值 oldCap = oldCap / (2的n次方)

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到此這篇關于Java必備知識之位運算及常見進制解讀的文章就介紹到這了,更多相關Java 位運算內容請搜索服務器之家以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持服務器之家！

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