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[Java知识库]Java--几种位运算及常见进制说明(解读HashMap源码必备知识)

您好，我是贾斯汀，欢迎又进来学习啦！

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【学习背景】

学习Java的小伙伴，都知道想要提升个人技术水平，阅读JDK源码少不了，但是说实话还是有些难度的，底层源码实现的原理离不开各种常用的数据结构和算法，很多时候还会用到各种位运算，比如面试必问和工作写烂透了的HashMap，就一个put(key,value)添加元素的底层实现，就用到了各种位运算知识，不对位运算略知一二，你还真读不懂它的源码，所以本文主要对Java中的几种位运算以及常见进制的说明，还会以HashMap底层实现添加元素四部曲展开说明，希望能提高提升自己对源码的理解，也希望能帮助到有需要的小伙伴~

进入正文~

常见几种进制？

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二进制（Binary）
数值范围0,1，满2进1
以0b或0B开头
bit比特是计算机最小存储单元，1个bit占用1个二进制位即0或1
1个byte字节有8个bit即占用8个二进制位
int整型4字节占用32个二进制位
二进制左半部分表示高位，右半部分为低位
二进制最高位为0表示正数，最高位为1表示负数
二进制原码取反得到反码，反码补1得到补码，负数使用补码表示
八进制（Octal）
数值范围0-7,满8进1
以数字0开头表示
十进制（Decimal）
数值范围0-9 ，满10进1
日常阿拉伯数字即十进制
十六进制（Hexadecimal）
数值范围0-9及A-F，满16进1
以0x或0X开头表示。此处的A-F不区分大小写

Java八种按位运算？

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按位与（&）
都为1则得1
按位或（|）
有一个为1即得1
按位异或（^）
不同得1，相同得0
按位取反（~）
取反即1变0、0变1
按位左移（<<）
按位左移几位，高位会被截掉几位，正负数，低位都会被补几个0
按位右移（>>）
按位右移几位，低位就会被截掉几位，正数高位会被补几个0，负数高位会被补几个1
按位无符号右移（>>>）
按位右移几位，低位就会被截掉几位，正负数数高位会被补几个0
按位无符号左移（<<<）
按位左移几位，高位就会被截掉几位，正负数数低位都会被补几个0

HashMap添加元素四步曲用到的位运算？

前奏：HashMap如何添加一个元素？

HashMap底层数据结构是数组+链表，通过put(K key, V value)方法添加元素，底层四步曲如下：

第一步曲：根据key得到hashCode值
第二步曲：根据hashCode值计算出hash值
第三步曲：根据hash值计算出元素(key/value)最终要放在哪个数组index下标
第二步曲：最后根据元素(key/value)新建节点并保存到指定数组index下标位置

Java HashMap添加元素的示例代码：

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

HashMap底层put(key,value)方法源码：

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

接下来将解读底层源码用到哪些位运算，有什么奥妙之处

第一步曲

根据key得到hashCode值
可以看到hash值计算的过程就用到了^（异或）和>>>(无符号右移)两种位运算

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

这里key是字符串"name"，String重写了计算字符串hashCode值的hashCode()方法，源码如下：
在这里插入图片描述
计算得到hashCode值为3373707

第二步曲

根据hashCode值计算出hash值
(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16) 即 (3373707) ^ (3373707 >>> 16)
3373707二进制表达
0000000001100110111101010001011
h >>> 16二进制表达
00000000000000000000000000110011
根据^异或运算原理即不同得1，相同得0得到3373707 ^ (3373707 >>>16)二进制结果为：
0000000001100110111101010111000
进制在线转换：https://c.runoob.com/front-end/58/
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即计算key的hash值得到3373752，断点往后查看hash值刚好也是这个值

第三步曲

根据hash值计算出元素(key/value)最终要放在哪个数组index下标
公式：i = (n - 1) & hash
这里就用到了&按位与运算（都为1则得1）
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公式(n - 1) & hash 的奥妙之处在于，n表示HashMap中的数组容量大小，并且刚好是16,32,64…2的次方，这种情况其实是等效于 hash % n 取模，计算出的数组index下标值一样，还能够保证不会数组下标越界

但是HashMap这里没有使用%取模，因为hash值是int整型即十进制数值，使用%取模会先将内存数据转成十进制再进行运算，多了这部分的性能开销，因此效率比较低

HashTable底层倒是用的%取模，hash值与十六进制0x7FFFFFFF做按位与运算目的是为了保证hash值始终是正数
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有的小伙伴可能会问了，使用%取模计算，那这里为啥HashTable还在用，我想说的是其实也可以优化，只不过HashTable本身就是主打synchronized线程安全，也就不考虑优化%取模为位运算了

第四步曲

最后根据元素(key/value)新建节点并保存到指定数组index下标位置

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

终曲：为什么HashMap底层源码用这么多位运算？

关于位运算的使用，文中在介绍第三步曲时，也提到了HashMap计算数组下标使用%取模和位运算的问题，使用于位运算的奥妙之处在直接从内存读取数据进行计算，不需要转成十进制，如果使用%取模需要先转成十进制，有性能开销，效率比较低

HashMap底层除了文中提到的^按位异或、>>>无符号右移、&按位与位运算，其实在HashMap的扩容机制resize()中，还用到了<<左移运算
oldCap << 1
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这里oldCap << 1刚好是两倍，可以总结的说一个数与n进行左移运算，结果为这个数乘以2的n次方
oldCap << 1 等值 oldCap = oldCap * (2的n次方)
同理，一个数与n进行右移运算结果为这个数除以2的n次方
oldCap >> 1 等值 oldCap = oldCap / (2的n次方)