Java 运算符

沉默王二2021年10月22日
大约 8 分钟

“二哥,让我盲猜一下哈,运算符是不是指的就是加减乘除啊?”三妹的脸上泛着甜甜的笑容,我想她一定对提出的问题很有自信。

“是的,三妹。运算符在 Java 中占据着重要的位置,对程序的执行有着很大的帮助。除了常见的加减乘除,还有许多其他类型的运算符,来看下面这张思维导图。”

01、算数运算符

算术运算符除了最常见的加减乘除,还有一个取余的运算符,用于得到除法运算后的余数,来串代码感受下。

/**
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 */
public class ArithmeticOperator {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = 5;

        System.out.println(a + b);//15
        System.out.println(a - b);//5
        System.out.println(a * b);//50
        System.out.println(a / b);//2
        System.out.println(a % b);//0

        b = 3;
        System.out.println(a + b);//13
        System.out.println(a - b);//7
        System.out.println(a * b);//30
        System.out.println(a / b);//3
        System.out.println(a % b);//1
    }
}

对于初学者来说,加法(+)、减法(-)、乘法(*)很好理解,但除法(/)和取余(%)会有一点点疑惑。在以往的认知里,10/3 是除不尽的,结果应该是 3.333333...,而不应该是 3。相应的,余数也不应该是 1。这是为什么呢?

因为数字在程序中可以分为两种,一种是整型,一种是浮点型(不清楚的同学可以回头看看数据类型那篇open in new window),整型和整型的运算结果就是整型,不会出现浮点型。否则,就会出现浮点型。

/**
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 */
public class ArithmeticOperator {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        float c = 3.0f;
        double d = 3.0;
        System.out.println(a / c); // 3.3333333
        System.out.println(a / d); // 3.3333333333333335
        System.out.println(a % c); // 1.0
        System.out.println(a % d); // 1.0
    }
}

需要注意的是,当浮点数除以 0 的时候,结果为 Infinity 或者 NaN。

System.out.println(10.0 / 0.0); // Infinity
System.out.println(0.0 / 0.0); // NaN

Infinity 的中文意思是无穷大,NaN 的中文意思是这不是一个数字(Not a Number)。

当整数除以 0 的时候(10 / 0),会抛出异常:

Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zero
	at com.itwanger.eleven.ArithmeticOperator.main(ArithmeticOperator.java:32)

所以整数在进行除法运算时,需要先判断除数是否为 0,以免程序抛出异常。

算术运算符中还有两种特殊的运算符,自增运算符(++)和自减运算符(--),它们也叫做一元运算符,只有一个操作数。

public class UnaryOperator1 {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 10;
        System.out.println(x++);//10 (11)  
        System.out.println(++x);//12  
        System.out.println(x--);//12 (11)  
        System.out.println(--x);//10  
    }
}

一元运算符可以放在数字的前面或者后面,放在前面叫前自增(前自减),放在后面叫后自增(后自减)。

前自增和后自增是有区别的,拿 int y = ++x 这个表达式来说(x = 10),它可以拆分为 x = x+1 = 11; y = x = 11,所以表达式的结果为 x = 11, y = 11。拿 int y = x++ 这个表达式来说(x = 10),它可以拆分为 y = x = 10; x = x+1 = 11,所以表达式的结果为 x = 11, y = 10

int x = 10;
int y = ++x;
System.out.println(y + " " + x);// 11 11

x = 10;
y = x++;
System.out.println(y + " " + x);// 10 11

对于前自减和后自减来说,同学们可以自己试一把。

02、关系运算符

关系运算符用来比较两个操作数,返回结果为 true 或者 false。

来看示例:

/**
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 */
public class RelationOperator {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10, b = 20;
        System.out.println(a == b); // false
        System.out.println(a != b); // true
        System.out.println(a > b); // false
        System.out.println(a < b); // true
        System.out.println(a >= b); // false
        System.out.println(a <= b); // true
    }
}

03、位运算符

在学习位运算符之前,需要先学习一下二进制,因为位运算符操作的不是整型数值(int、long、short、char、byte)本身,而是整型数值对应的二进制。

/**
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public class BitOperator {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Integer.toBinaryString(60)); // 111100
        System.out.println(Integer.toBinaryString(13)); // 1101
    }
}

从程序的输出结果可以看得出来,60 的二进制是 0011 1100(用 0 补到 8 位),13 的二进制是 0000 1101。

PS:现代的二进制记数系统由戈特弗里德·威廉·莱布尼茨于 1679 年设计。莱布尼茨是德意志哲学家、数学家,历史上少见的通才。

来看示例:

/**
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 */
public class BitOperator {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 60, b = 13;
        System.out.println("a 的二进制:" + Integer.toBinaryString(a)); // 111100
        System.out.println("b 的二进制:" + Integer.toBinaryString(b)); // 1101

        int c = a & b;
        System.out.println("a & b:" + c + ",二进制是:" + Integer.toBinaryString(c));

        c = a | b;
        System.out.println("a | b:" + c + ",二进制是:" + Integer.toBinaryString(c));

        c = a ^ b;
        System.out.println("a ^ b:" + c + ",二进制是:" + Integer.toBinaryString(c));

        c = ~a;
        System.out.println("~a:" + c + ",二进制是:" + Integer.toBinaryString(c));

        c = a << 2;
        System.out.println("a << 2:" + c + ",二进制是:" + Integer.toBinaryString(c));

        c = a >> 2;
        System.out.println("a >> 2:" + c + ",二进制是:" + Integer.toBinaryString(c));

        c = a >>> 2;
        System.out.println("a >>> 2:" + c + ",二进制是:" + Integer.toBinaryString(c));
    }
}

对于初学者来说,位运算符无法从直观上去计算出结果,不像加减乘除那样。因为我们日常接触的都是十进制,位运算的时候需要先转成二进制,然后再计算出结果。

鉴于此,初学者在写代码的时候其实很少会用到位运算。对于编程高手来说,为了提高程序的性能,会在一些地方使用位运算。比如说,HashMap 在计算哈希值的时候:

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

如果对位运算一点都不懂的话,遇到这样的源码就很吃力。所以说,虽然位运算用的少,但还是要懂。

1)按位左移运算符:

public class LeftShiftOperator {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(10<<2);//10*2^2=10*4=40  
        System.out.println(10<<3);//10*2^3=10*8=80  
        System.out.println(20<<2);//20*2^2=20*4=80  
        System.out.println(15<<4);//15*2^4=15*16=240  
    }
}

10<<2 等于 10 乘以 2 的 2 次方;10<<3 等于 10 乘以 2 的 3 次方。

2)按位右移运算符:

public class RightShiftOperator {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(10>>2);//10/2^2=10/4=2
        System.out.println(20>>2);//20/2^2=20/4=5
        System.out.println(20>>3);//20/2^3=20/8=2
    }
}

10>>2 等于 10 除以 2 的 2 次方;20>>2 等于 20 除以 2 的 2 次方。

04、逻辑运算符

逻辑与运算符(&&):多个条件中只要有一个为 false 结果就为 false。

逻辑或运算符(||):多个条件只要有一个为 true 结果就为 true。

public class LogicalOperator {
    public static void main(String[] args) {
        int a=10;
        int b=5;
        int c=20;
        System.out.println(a<b&&a<c);//false && true = false

        System.out.println(a>b||a<c);//true || true = true
    }
}

逻辑非运算符(!):用来反转条件的结果,如果条件为 true,则逻辑非运算符将得到 false。

单逻辑与运算符(&):很少用,因为不管第一个条件为 true 还是 false,依然会检查第二个。

单逻辑或运算符(|):也会检查第二个条件。

也就是说,& 和 | 性能不如 && 和 ||,但用法一样:

public class LogicalOperator1 {
    public static void main(String[] args) {
        int a=10;
        int b=5;
        int c=20;
        System.out.println(a<b&a<c);//false & true = false

        System.out.println(a>b|a<c);//true | true = true  
    }
}

05、赋值运算符

赋值操作符恐怕是 Java 中使用最频繁的操作符了,它就是把操作符右侧的值赋值给左侧的变量。来看示例:

public class AssignmentOperator {
    public static void main(String[] args) {
        int a=10;
        int b=20;
        a+=4;//a=a+4 (a=10+4)  
        b-=4;//b=b-4 (b=20-4)  
        System.out.println(a);
        System.out.println(b);
    }
}

不过在进行数值的赋值时,需要小点心,比如说下面这种情况:

编译器之所以提示错误,是因为 = 右侧的算术表达式默认为 int 类型,左侧是 short 类型的时候需要进行强转。

public class AssignmentOperator1 {
    public static void main(String[] args) {
        short a = 10;
        short b = 10;
//a+=b;//a=a+b internally so fine
        a = (short)(a + b);
        System.out.println(a);
    }
}

除此之外,还会有边界问题,比如说,两个非常大的 int 相乘,结果可能就超出了 int 的范围:

/**
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public class BigIntMulti {
    public static void main(String[] args) {
        int a = Integer.MAX_VALUE;
        int b = 10000;
        int c = a * b;
        System.out.println(c); // -10000
    }
}

程序输出的结果为 -10000,这个答案很明显不是我们想要的结果,虽然可以通过右侧表达式强转 long 的方法解决:

/**
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public class BigIntMulti {
    public static void main(String[] args) {
        int a = Integer.MAX_VALUE;
        int b = 10000;
        long c = (long)a * b;
        System.out.println(c); // 21474836470000
    }
}

但尽量不要这样做,结果非常大的时候,尽量提前使用相应的类型进行赋值。

long a = Integer.MAX_VALUE - 1;
long b = 10000;
long c = a * b;
System.out.println(c); // 21474836460000

06、三元运算符

三元运算符用于替代 if-else,可以使用一行代码完成条件判断的要求。来看示例:

public class TernaryOperator {
    public static void main(String[] args) {
        int a=2;
        int b=5;
        int min=(a<b)?a:b;
        System.out.println(min);
    }
}

如果 ? 前面的条件为 true,则结果为 : 前的值,否则为 : 后的值。

“好了,三妹,关于 Java 运算符就先说这么多吧,你是不是已经清楚了?”转动了一下僵硬的脖子后,我对三妹说。

“差不多,二哥,我需要写点 demo 练习会。”


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