确切地说，按位运算符在 Java 中是如何工作的？

Question

我目前正在尝试围绕 Java 中的按位和位移运算符。尽管它们在简化的玩具示例（基本上是正整数）中对我有意义，但一旦涉及负数，我的理解就会崩溃，在其他一些情况下。我尝试使用两个搜索引擎在整个 Internet 上进行搜索，甚至还检查了 Java 规范。我找不到任何正确描述按位和位移运算符如何在 Java 中工作的来源。

Java 标准库中让我特别困惑的一个函数是java.lang.Integer.toUnsignedLong(int)。此处显示了 OpenJdk 的源代码（带有类路径异常的 LGPLv2），并在 Javadoc 中摘录：

/**
 * Converts the argument to a {@code long} by an unsigned
 * conversion.  In an unsigned conversion to a {@code long}, the
 * high-order 32 bits of the {@code long} are zero and the
 * low-order 32 bits are equal to the bits of the integer
 * argument.   
 */
public static long toUnsignedLong(int x) {
    return ((long) x) & 0xffffffffL;
}

根据上面转载的官方文档，“long 的高 32 位为零，低 32 位等于整数参数的位。”但是，我看不出这是如何从方法主体内的代码得出的。

阅读方法时，我对正x的思路如下：

1. 当整数转换为长整数时，其符号位/最高有效位为零。因此，long 的符号位/最高有效位为零，低位等于整数。
2. 由于long 0xffffffff在最低4个字节中都是1，并且因为只有这些字节会有数据，所以这个掩码没有作用，返回正确的结果。

然而，当在否定 x 的背景下阅读它时，我的理解就崩溃了：

1. 当整数为 cst 到 long 时，其符号位/最高有效位为 1。因此，long 的符号位/最高有效位为 1，低位与整数的符号位相同，但在整数中为 1 时，第四个最低有效字节的最高有效位为零。
2. 由于long0xffffffff的低4字节全为1，高4字节全为0，所以它的唯一作用是改变long的符号位，并保持不正确的整数在四个最低有效位完好无损。因此，它会从此方法返回错误的答案，其中整数的符号位在移入长整数时会发生变化。

但是，当我测试此方法时，我得到的结果与 Javadoc 一致。我怀疑我误解了关于 Java 中的位运算符或其二进制补码整数表示的一个或多个基本点，我希望这个问题可以澄清这些点。

Answer 1

按位运算符的工作方式完全符合您的预期。它们是严格的位运算符，根本不考虑位的语义。

有时使用断点运行代码是最容易的。对于您的具体示例，我将操作步骤转换为原子语句并使用Long.toString 打印结果。

int x = -57;

// step 1:
long xCast = (long) x;
System.out.println(Long.toString(xCast, 2)); // -1110011 - this is not the bitwise representation however.

long mask = 0xffffffffL;
System.out.println(Long.toString(mask, 2)); // 11111111111111111111111111111111

// step 2:
long result = ((long) x) & mask;
System.out.println(Long.toString(result, 2)); // 11111111111111111111111111000111

步骤 1 是操作看起来如此的主要原因。在 Java 中，所有（严格数字）值都是有符号的（字符是无符号的）。这意味着，正如您正确指出的那样，所有最高位都是符号位。然而，有趣的部分是其余位的作用，如果一个数字是负数。 以下线程已经涵盖了“双补”的基础知识： What is “2's Complement”? 这个维基百科页面也是如此：https://en.wikipedia.org/wiki/Two%27s_complement

简而言之，在 java 中，对于整数：

int zero = 0; // == 0b00000000_00000000_00000000_00000000

int maxPositive = Integer.MAX_VALUE; // == 0b01111111_11111111_11111111_11111111

int minus1 = -1; // == 0b11111111_11111111_11111111_11111111

int minNegative = Integer.MIN_VALUE; // == 0b10000000_00000000_00000000_00000000

所以一切正常的原因是因为如果整数是负数，当它被强制转换时，整个高 32 位都被转换为 1，因为否则数字的表示值会改变。有效：

int x = 0b11111111_11111111_11111111_11000111;

被转换为：

long xCast = 0b11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11000111;

由于您作为开发人员希望该方法仅返回最初设置的位，因此您必须从结果中屏蔽高位。这是在第 2 步中完成的。

因此，您的示例的答案是：Java 中非浮点值的表示是二进制补码，因此，当将值从 int 智能转换为 long 时，高位用 1 填充负数。因此它们必须被删除。