Java位运算左移右移原码反码补码与无符号右移区别详解

位运算这块，很多人初学时容易混淆概念，比如原码、反码、补码、左移右移等，很容易让人感到困惑。但其实一旦真正理解，你会发现它的逻辑非常清晰，而且许多底层框架中都有广泛应用。我们先从几个容易让人产生疑问的点开始讲解。

为什么没有无符号左移呢？

首先提出一个看似简单，但很多人不一定能答得上来的问题：为什么只有无符号右移（>>>），而没有无符号左移（<<<）？

答案其实非常直接：左移操作本身就和符号位无关。在计算机内部，位运算中的左移，最高位本身就是符号位，左移时最高位直接就被丢弃了，低位补0。因此，无论符号位是什么，左移后它都会消失，根本不存在“保留符号位”或“不保留符号位”的选项。

举例来说，8位的byte类型，如果最高位是1，就表示负数。将其左移一位，结果就是：最高位的1被丢弃，最低位补0。例如 1111 1111 << 1 的结果是 1111 1110。因此，不只是Java，任何编程语言都没有“无符号左移”这个操作，因为技术上根本没有实现的必要。

位操作操作的是原码、反码还是补码？

这是一个非常基础，但也很容易混淆的概念。原码、反码、补码，它们是同一种数字的不同“编码方式”。

• 原码：最直观的表示。第一位是符号位（0表示正数，1表示负数），后面跟着数值的绝对值。比如8位二进制中，+1的原码是 0000 0001，-1的原码是 1000 0001。
• 反码：正数的反码就是它本身；负数的反码，是在原码的基础上，符号位不变，其他位全部取反。所以+1的反码是 0000 0001，-1的反码是 1111 1110。
• 补码：正数的补码就是它本身；负数的补码，是在原码的基础上，符号位不变，其他位取反，然后加1。所以+1的补码是 0000 0001，-1的补码是 1111 1111。

关键点：计算机内部，所有数字都是以补码的形式存储的。 这样做的好处是，可以把减法统一成加法来运算，从而简化电路设计，而且还能多表示一个最低数。例如8位二进制，原码和反码能表示的范围是[-127, +127]，而补码能表示[-128, +127]。

左移 <<

左移的规则很简单：把二进制位整体向左移动，左边超出的部分直接丢弃，右边空出来的位置补0。这个过程不考虑符号位，因为符号位也会被移动和丢弃。

正数

以数字10为例，它的二进制补码是：

00000000 00000000 00000000 00001010

左移1位后，变成：

00000000 00000000 00000000 00010100

结果就是十进制20，相当于乘以2。HashMap在扩容时，将新容量设为旧容量的2倍，用的就是左移操作。

负数

以负数-10为例，它的二进制补码是：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110

左移1位后，变成：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 1100

结果是-20，同样实现了乘以2的效果。

右移 >>

右移与左移不同，它需要考虑符号位。规则是：把二进制位整体向右移动，左边空出来的位置，用原来的符号位来填充（正数补0，负数补1），右边超出的部分直接丢弃。

正数

以10为例：

00000000 00000000 00000000 00001010

右移1位后，变成：

00000000 00000000 00000000 00000101

结果是5，相当于除以2。ArrayList扩容时，将新容量增加为原来的1.5倍，用的就是右移操作。

负数

以负数-10为例：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110

右移1位后，左边补1：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011

结果是-5，也是除以2的效果。

无符号右移 >>>

无符号右移，顾名思义，就是不关心符号位，不管正数还是负数，左边空出来的位一律补0，右边超出的部分直接丢弃。

正数

结果和普通的右移完全一样，因为正数的符号位本身就是0。

负数

以-10为例：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110

无符号右移1位后，左边补0：

01111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011

结果变成了一个非常大的正数：2147483643。HashMap在计算一个数最接近的2的N次幂时，就大量使用了无符号右移操作。

超过32位的左移会怎样?

如果对一个int类型的数字左移超过32位，比如左移33位，实际效果等同于左移1位。右移和无符号右移同理。

a << n == a << (n % 32)

说白了，就是对位移的位数做了一个取模运算。这是一个非常实用的底层细节。

总结

位运算看似复杂，但核心逻辑非常清晰。左移和右移，一个不管符号位，一个管符号位；而无符号右移，则是对右移的一个补充，专门为了处理负数而设计。理解到位运算的底层逻辑，写代码时会更有底气，尤其是在阅读像HashMap、ArrayList这种核心源码时，会感觉豁然开朗。