位运算实现加减乘除四则运算（Java）
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
本文是继《一文了解有趣的位运算》的第二篇文章.
我们知道，计算机最基本的操作单元是字节(byte)，一个字节由8个位(bit)组成，一个位只能存储一个0或1，其实也就是高低电平。无论多么复杂的逻辑、庞大的数据、酷炫的界面，最终体现在计算机最底层都只是对0101的存储和运算。因此，了解位运算有助于提升我们对计算机底层操作原理的理解。
一、加法
两个二进制数异或运算的结果是不考虑进位时的结果，
两个二进制数与运算的结果中含有1的位是有进位的位。
以0101 + 0001 = 0110为例分析如下：
//计算 0101 + 0001 0101 ^ 0001 = 0100 //异或结果表明，如果不考虑进位，那么结果为0100 0101 & 0001 = 0001 //与运算结果表明，最低位需要向次低位进1 0001 << 1 = 0010 //与运算结果左移一位，将进位加到高位上 //递归计算 0100 + 0010，直到+号右侧数字为0java代码：
递归
public static int add(int a, int b) { if (b == 0) { return a; } else { return add(a ^ b, (a & b) << 1); } } 循环
public static int add2(int a, int b) { int sum = a; while (b != 0) { sum = a ^ b; b = (a & b) << 1; a = sum; } return sum; } 二、减法
与加法的思路一致，只不过减去一个数等于加一个数的相反数。
例如：5-1 = 5+(-1)。所以，我们只需要求出被减数的相反数即可。
如何求出一个数的相反数？
计算机中存储的是二进制的补码形式，正数的补码与原码相同，负数的补码为对该数的原码除符号位外各位取反，然后在最后一位加1。
例如：
1在计算机中的二进制表示为：0000 0001
-1在计算机中的二进制表示为：1111 1111
计算过程为：
-1的原码：1000 0001
-1的反码：1111 1110
-1的补码：1111 1111
其中，由1的原码（0000 0001）取反可得-1的反码（1111 1110）
总结，一个数的相反数的求法就是该数每一位取反，末位加一。
java代码：
public static int minus(int a, int b) { return add(a, add(~b, 1)); }三、乘法
如果没有思路，可以先在纸上笔算二进制乘法的过程：
0101 a × 0110 b ---------------- 0000 0101 0101 + 0000 ---------------- 00011110梳理下笔算二进制乘法的过程：
初始化乘积结果为0，依次遍历数字b的末位 0→1→1→0，当末位为0时，乘积结果加上0，也就是乘积不变，A左移一位；当末位为1时，乘积结果加上A，A再左移一位。
如何遍历数字b的末位呢？
根据前面所学，我们可以使用与运算取一个数的末位，并不断右移数字b，直到数字b==0，即可结束位移。
需要注意的是正负数的符号问题，此处是先对a、b两数的绝对值计算其乘积，最后再确定其符号。
java代码为：
public static int multiply(int a, int b) { //将乘数和被乘数都取绝对值 int A = a < 0 ? add(~a, 1) : a; int B = b < 0 ? add(~b, 1) : b; //计算绝对值的乘积 int P = 0; while (B != 0) { if ((B & 1) != 0) { //取乘数的二进制的最后一位，0 or 1 P = add(P, A); } A = A << 1; B = B >> 1; } //计算乘积的符号 if ((a ^ b) < 0) { P = add(~P, 1); } return P; }四、除法
最简单的除法实现就是不停的用除数去减被除数，直到被除数小于除数时，此时所减的次数就是我们需要的商，而此时的被除数就是余数。
唯一需要注意的就是商的符号和余数的符号。商的符号确定方式也乘法是一样，即同号为正，异号为负。而余数的符号和被除数的符号是一样的。
和简单的乘法实现一样，这里我们要先对两数的绝对值求商，求余数。最后再确定符号。
public static int[] divide(int a, int b) { //对被除数和除数取绝对值 int A = a < 0 ? add(~a, 1) : a; int B = b < 0 ? add(~b, 1) : b; //对被除数和除数的绝对值求商 int C = A; // 余数C int N = 0; // 商N while (C >= B) { C = minus(C, B); // C-B N = add(N, 1); // N+1 } // 求商的符号 if ((a ^ b) < 0) { N = add(~N, 1); } // 求余数的符合 if (a < 0) { C = add(~C, 1); } return new int[]{N, C}; }需要指出的是，这种算法在A很大、B很小的情况下效率很低，那该如何优化算法减少while循环的次数呢？
不难想到，除法是由乘法的过程逆推而来的。例如 9÷4=2…1，也就是2*4+1=9。假设用9去减4*2，可以得出结果等于1，因为1小于4，那么就可以得出9÷4的商是2，余数是1。
如何确定4的倍数是逼近最终结果的关键。我们知道，int 整型有32位，除首位表示符号位，每一位的大小是 [2^0, 2^1, 2^2, , , 2^30]，最大的int整数是2^31-1。所以，我们可以依次将被除数与2^31, 2^30, …2^3, 2^2, 2^1, 1相乘，如果除数大于它们的乘积，除数就与之相减，并用相减得到的余数继续作为除数，直到循环结束。
java代码：
public static int[] divide(int a, int b) { // 对被除数和除数取绝对值 int A = a < 0 ? add(~a, 1) : a; int B = b < 0 ? add(~b, 1) : b; int N = 0; // 商 N for (int i = 31; i >= 0; i--) { // 未使用A>=(B<<i)进行判断，因为只有左移B时舍弃的高位不包含1，才相当于该数乘以2的i次方. if ((A >> i) >= B) { // A ÷ 2^i >= B N += (1 << i); // N = N + 2^i A -= (B << i); // A = A - B*2^i } } int C = A; // 余数C // 求商的符号 if ((a ^ b) < 0) { N = add(~N, 1); } // 求余数的符号 if (a < 0) { C = add(~C, 1); } return new int[]{N, C}; }