在Java编程中，位运算作为一种底层运算方式，直接操作整型数值的二进制位，其运算效率远超普通的加减乘除运算。但很多开发者在实际工作中却很少用到它，究其原因，大多是因为其语法晦涩、可读性较弱------毕竟代码是写给人看的，高效的同时兼顾易懂性，才是工业级开发的核心诉求。但这并不影响位运算成为面试中的高频考点，也是夯实Java基础的关键知识点，今天就带大家全面吃透位运算与移位运算，从原理到实战，层层拆解、通俗易懂。
一、位运算核心原理
位运算的核心是直接对组成整型数值（如byte、int、long等）的二进制位进行操作，无需经过十进制与二进制的转换中间环节，因此运算速度极快。常用的位运算有4种，分别是按位与（&）、按位或（|）、按位取反（~）、按位异或（^），以下用例均以byte类型（8位二进制）为例，结合负数的补码规则（计算机存储负数以补码形式）详细拆解。
1. 按位与运算（&）
运算规则：两个操作数的对应二进制位，同为1则结果为1，否则为0。
关键补充：byte类型的范围是-128~127，负数的补码计算方式为"反码+1"（反码是对原码按位取反，符号位不变）。例如-10的原码为10001010，反码为11110101，补码为11110110（计算机中实际存储的是补码）；8的原码、反码、补码均为00001000。
例题：-10 & 8
拆解过程：
-10（补码）：11110110
8（补码）： 00001000
按位与结果：00000000（对应十进制0）
2. 按位或运算（|）
运算规则：两个操作数的对应二进制位，同为0则结果为0，其余情况均为1（即只要有一个为1，结果就为1）。
例题：-10 | 8
拆解过程：
-10（补码）：11110110
8（补码）： 00001000
按位或结果：11111110（对应十进制-2）
3. 按位取反运算（~）
运算规则：对单个操作数的每一位二进制位按位取反，0变1，1变0。
注意点：按位取反是一元运算（只需一个操作数），且取反后结果会遵循补码规则，对于byte类型，取反后会涉及符号位的变化，最终结果与原数满足"~x = -x - 1"的规律。
例题：~8
拆解过程：
8（补码）：00001000
按位取反：11110111（对应十进制-9，验证：~8 = -8 -1 = -9）
再如：~(-10)
-10（补码）：11110110
按位取反：00001001（对应十进制9，验证：~(-10) = 10 -1 = 9）
4. 按位异或运算（^）
运算规则：两个操作数的对应二进制位，相同则结果为0，不同则结果为1（可记忆为"相同为0，不同为1"）。
补充说明：异或运算有两个常用特性------① 一个数异或自身结果为0（x^x = 0）；② 一个数异或0结果仍为自身（x^0 = x），这两个特性是异或实现数值交换的核心。
例题：-10 ^ 8（修正原例题结果疏漏，结合补码重新计算）
拆解过程：
-10（补码）：11110110
8（补码）： 00001000
按位异或结果：11111110（对应十进制-2，原例题结果正确，补充计算逻辑）
二、位运算的实战用途（高频场景+面试考点）
前文提到，位运算的运算效率远高于普通的加减乘除（直接操作二进制位，无需CPU进行复杂的算术运算），但实际工作中使用频率较低，核心原因是其语法晦涩、可读性弱------代码不仅是写给自己看的，更要让同事能快速理解，因此在对效率要求不极致的场景下，开发者更倾向于使用可读性更强的算术运算。
但在以下场景中，若对运算效率要求较高（如底层开发、高频运算场景），位运算就能发挥优势，同时这些场景也是面试中的高频考点，建议重点掌握：
1. 判断int型变量a是奇数还是偶数
核心逻辑：奇数的二进制最低位一定是1，偶数的二进制最低位一定是0；与1（二进制最低位为1，其余为0）进行按位与运算，可快速判断最低位状态。
实现代码：
a & 1 == 0 → 偶数
a & 1 == 1 → 奇数
优势：比a % 2判断更高效（无需进行除法运算）。
2. 求两个int类型变量x、y的平均值（避免溢出）
常规思路：(x + y) / 2，但当x和y均为较大的正数时，x + y的结果可能超过int的最大范围（-2³¹~2³¹-1），导致溢出，最终结果错误。
位运算实现（无溢出）：(x & y) + ((x ^ y) >> 1)
逻辑拆解：x & y 获取x和y二进制位中同为1的部分（即两者的公共部分，相当于平均值的整数基础）；x ^ y 获取x和y二进制位中不同的部分（相当于两者的差值部分），右移1位等价于除以2，最终将两部分相加得到平均值。
3. 判断一个大于0的整数x是不是2的幂次方
核心逻辑：2的幂次方的二进制特点是"只有一位为1，其余全为0"（如2→10、4→100、8→1000）；x & (x - 1) 会将x二进制中最低位的1变为0，若x是2的幂次方，执行后结果为0。
实现代码：((x & (x - 1)) == 0) && (x != 0)
注意：x != 0 是因为0满足(x & (x - 1)) == 0，但0不是2的幂次方。
4. 交换两个int类型变量x、y（无需临时变量，高效）
常规思路：需要定义临时变量temp，temp = x; x = y; y = temp;，会占用额外的内存空间。
位运算实现（无临时变量，性能最优）：
x ^= y; // x = x ^ y（此时x存储了x和y的差值特征）
y ^= x; // y = y ^ (x ^ y) = x（利用异或特性x^x=0、0^x=x，将x的值赋给y）
x ^= y; // x = (x ^ y) ^ x = y（将y原来的值赋给x）
注意：该方法仅适用于数值类型，且x和y不能指向同一个内存地址（否则会导致两者都变为0）。
5. 求int类型变量x的绝对值
核心逻辑：int类型是32位，最高位为符号位（0表示正数，1表示负数）；x >> 31 会将符号位扩展到整个32位（正数右移31位为0，负数右移31位为-1，即二进制全1）。
实现代码：
int abs(int x) {
int y = x >> 31; // 获取符号位（正数y=0，负数y=-1）
return (x ^ y) - y; // 等价于(x + y) ^ y，负数取反+1，正数不变
}
逻辑验证：x为正数时，y=0，(x^0)-0 = x；x为负数时，y=-1（二进制全1），x^y 等价于按位取反，再减y（减-1即加1），最终得到绝对值。
6. 取模运算（a % (2ⁿ) 等价于 a & (2ⁿ - 1)）
核心逻辑：2ⁿ 的二进制是"1后面跟n个0"（如2³=8→1000），2ⁿ - 1 的二进制是"n个1"（如2³-1=7→0111）；a & (2ⁿ -1) 会保留a二进制的低n位，等价于a除以2ⁿ的余数。
示例：a=10（1010），n=2（2²=4），10 % 4 = 2；10 & (4-1) = 10 & 3 = 2（1010 & 0011 = 0010）。
注意：该方法仅适用于除数是2的幂次方的场景，且效率远高于常规取模运算。
7. 乘法运算（a * (2ⁿ) 等价于 a << n）
核心逻辑：左移n位，等价于将二进制数整体向左移动n位，右边补0，数值扩大为原来的2ⁿ倍，即a乘以2ⁿ。
示例：a=3（0011），n=2，3 * 4 = 12；3 << 2 = 12（0011 << 2 → 1100）。
8. 除法运算（a / (2ⁿ) 等价于 a >> n）
核心逻辑：右移n位，等价于将二进制数整体向右移动n位，左边补符号位（正数补0，负数补1），数值缩小为原来的1/2ⁿ，即a除以2ⁿ（向下取整）。
示例：a=12（1100），n=2，12 / 4 = 3；12 >> 2 = 3（1100 >> 2 → 0011）。
9. 求一个整数x的相反数（~x + 1）
核心逻辑：根据补码规则，负数的补码是原码取反加1，而一个数的相反数的补码，就是该数补码的取反加1，因此~x + 1 等价于 -x。
示例：x=10（00001010），~10 + 1 = 11110101 + 1 = 11110110（对应十进制-10）。
10. 补充：a % 2 等价于 a & 1
本质是第6点取模运算的特例（n=1，2¹=2，2¹-1=1），也是判断奇偶性的底层逻辑，效率高于常规取模。
三、移位运算（与位运算相辅相成）
移位运算也是操作二进制位的重要运算，分为左移（<<）、有符号右移（>>）、无符号右移（>>>）三种，主要用于实现数值的快速乘除（如前文位运算的7、8点），以下仍以byte类型为例讲解。
1. 左移运算（<<）
运算规则：将操作数的二进制位整体向左移动n位，右边空出来的位用0填补，高位左移后溢出的部分直接舍弃。
核心结论：左移n位，等价于该数乘以2的n次幂（a << n = a * 2ⁿ），效率远高于乘法运算。
示例：3 << 2 → 3 * 2² = 12（0011 << 2 → 1100）；8 << 1 → 16（00001000 << 1 → 00010000）。
2. 有符号右移运算（>>）
运算规则：将操作数的二进制位整体向右移动n位，左边空出来的位根据符号位填补（正数符号位为0，补0；负数符号位为1，补1），低位右移后溢出的部分舍弃。
核心结论：有符号右移n位，等价于该数除以2的n次幂（a >> n = a / 2ⁿ），向下取整，效率高于除法运算。
示例：12 >> 2 → 12 / 4 = 3（1100 >> 2 → 0011）；-10 >> 1 → -5（11110110 >> 1 → 11111011，对应十进制-5）。
3. 无符号右移运算（>>>）
运算规则：将操作数的二进制位整体向右移动n位，无论原操作数的符号位是0还是1，左边空出来的位一律用0填补，低位右移后溢出的部分舍弃。
关键注意点：
① Java中整型默认是int类型（32位），因此进行无符号右移时，会将操作数先转换为32位二进制数再进行移位操作；
② 无符号右移会将负数的符号位（1）也当作普通位处理，填补0后，负数会变成正数（因为最高位变为0）。
示例：-1（int类型，32位全1）>>> 1 → 2147483647（31位全1，最高位为0，对应int类型的最大值）。
四、面试重点实战题（必掌握）
题目：用最快的速度计算出2 * 16的值（高频面试题，考察移位运算的应用）
核心思路：16是2的4次幂（2⁴=16），根据左移运算的特性，2 * 16 = 2 * 2⁴ = 2 << 4，移位运算效率远高于直接乘法。
验证代码（测试运行时间，单位：纳秒）：
public static void main(String[] args) {
方法1：直接乘法运算
long startTime = System.nanoTime(); // 获取开始时间
System.out.println(2 * 16); // 输出结果：32
long endTime = System.nanoTime(); // 获取结束时间
System.out.println("乘法运算运行时间： " + (endTime - startTime) + "ns");
方法2：左移运算（最快）
long startTime1 = System.nanoTime(); // 获取开始时间
System.out.println(2 << 4); // 输出结果：32，2左移4位等价于2*16
long endTime1 = System.nanoTime(); // 获取结束时间
System.out.println("左移运算运行时间： " + (endTime1 - startTime1) + "ns");
}
运行结果说明：多次测试后会发现，左移运算的运行时间远短于乘法运算，这就是移位运算（位运算延伸）的效率优势，也是面试中考察的核心点。
五、总结
位运算与移位运算的核心优势是运算效率极高，本质是直接操作二进制位，跳过了十进制与二进制的转换环节，适合底层开发、高频运算等对效率要求极致的场景。但由于其语法晦涩、可读性较弱，实际业务开发中使用频率较低------毕竟代码的可维护性、可读性，往往比极致的效率更重要（除非有明确的性能瓶颈）。
但对于Java学习者和面试者而言，位运算及其应用场景是必须掌握的知识点：一方面，它能帮助我们更深入理解计算机存储数据的底层逻辑（二进制、补码）；另一方面，面试中频繁考察的奇偶判断、数值交换、求平均值（无溢出）等场景，都需要用到位运算的核心思路。