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按位操作符 - JavaScript 编辑

概述

按位操作符（Bitwise operators） 将其操作数（operands）当作32位的比特序列（由0和1组成），而不是十进制、十六进制或八进制数值。例如，十进制数9，用二进制表示则为1001。按位操作符操作数字的二进制形式，但是返回值依然是标准的JavaScript数值。

下面的表格总结了JavaScript中的按位操作符：

运算符用法描述
按位与（ AND）a & b对于每一个比特位，只有两个操作数相应的比特位都是1时，结果才为1，否则为0。
按位或（OR）a | b对于每一个比特位，当两个操作数相应的比特位至少有一个1时，结果为1，否则为0。
按位异或（XOR）a ^ b对于每一个比特位，当两个操作数相应的比特位有且只有一个1时，结果为1，否则为0。
按位非（NOT）~ a反转操作数的比特位，即0变成1，1变成0。
左移（Left shift）a << b将 a 的二进制形式向左移 b (< 32) 比特位，右边用0填充。
有符号右移a >> b将 a 的二进制表示向右移b(< 32) 位，丢弃被移出的位。
无符号右移a >>> b将 a 的二进制表示向右移b(< 32) 位，丢弃被移出的位，并使用 0 在左侧填充。

有符号32位整数

所有的按位操作符的操作数都会被转成补码（two's complement）形式的有符号32位整数。补码形式是指一个数的负对应值（negative counterpart）（如 5和-5）为数值的所有比特位反转后，再加1。反转比特位即该数值进行’非‘位运算，也即该数值的反码。例如下面为整数314的二进制编码：

00000000000000000000000100111010

下面编码 ~314，即 314 的反码：

11111111111111111111111011000101

最后，下面编码 -314，即 314 的反码再加1：

11111111111111111111111011000110

补码保证了当一个数是正数时，其最左的比特位是0，当一个数是负数时，其最左的比特位是1。因此，最左边的比特位被称为符号位（sign bit）。

0 是所有比特数字0组成的整数。

0 (base 10) = 00000000000000000000000000000000 (base 2)

-1 是所有比特数字1组成的整数。

-1 (base 10) = 11111111111111111111111111111111 (base 2)

-2147483648（十六进制形式：-0x80000000）是除了最左边为1外，其他比特位都为0的整数。

-2147483648 (base 10) = 10000000000000000000000000000000 (base 2)

2147483647（十六进制形式：0x7fffffff）是除了最左边为0外，其他比特位都为1的整数。

2147483647 (base 10) = 01111111111111111111111111111111 (base 2)

数字-2147483648 和 2147483647 是32位有符号数字所能表示的最小和最大整数。

按位逻辑操作符

从概念上讲，按位逻辑操作符按遵守下面规则：

  • 操作数被转换成32位整数，用比特序列（0和1组成）表示。超过32位的数字会被丢弃。
    例如, 以下具有32位以上的整数将转换为32位整数:
  • 转换前: 11100110111110100000000000000110000000000001
转换后:             10100000000000000110000000000001
  • 第一个操作数的每个比特位与第二个操作数的相应比特位匹配：第一位对应第一位，第二位对应第二位，以此类推。
  • 位运算符应用到每对比特位，结果是新的比特值。

& (按位与)

对每对比特位执行与（AND）操作。只有 a 和 b 都是 1 时，a AND b 才是 1。与操作的真值表如下：

aba AND b
000
010
100
111
     9 (base 10) = 00000000000000000000000000001001 (base 2)
    14 (base 10) = 00000000000000000000000000001110 (base 2)
                   --------------------------------
14 & 9 (base 10) = 00000000000000000000000000001000 (base 2) = 8 (base 10)

将任一数值 x 与 0 执行按位与操作，其结果都为 0。将任一数值 x 与 -1 执行按位与操作，其结果都为 x。

| (按位或)

对每一对比特位执行或（OR）操作。如果 a 或 b 为 1，则 a OR b 结果为 1。或操作的真值表：

aba OR b
000
011
101
111
     9 (base 10) = 00000000000000000000000000001001 (base 2)
    14 (base 10) = 00000000000000000000000000001110 (base 2)
                   --------------------------------
14 | 9 (base 10) = 00000000000000000000000000001111 (base 2) = 15 (base 10)

将任一数值 x 与 0 进行按位或操作，其结果都是 x。将任一数值 x 与 -1 进行按位或操作，其结果都为 -1。

补充一些例子：

1 | 0 ;                       // 1

1.1 | 0 ;                     // 1

'asfdasfda' | 0 ;             // 0

0 | 0 ;                       // 0

(-1) | 0 ;                    // -1

(-1.5646) | 0 ;               // -1

[] | 0 ;                      // 0

({}) | 0 ;                    // 0

"123456" | 0 ;            // 123456

1.23E2 | 0;               // 123

1.23E12 | 0;              // 1639353344

-1.23E2 | 0;              // -123

-1.23E12 | 0;             // -1639353344

^ (按位异或)

对每一对比特位执行异或（XOR）操作。当 a 和 b 不相同时，a XOR b 的结果为 1。异或操作真值表：

aba XOR b
000
011
101
110
     9 (base 10) = 00000000000000000000000000001001 (base 2)
    14 (base 10) = 00000000000000000000000000001110 (base 2)
                   --------------------------------
14 ^ 9 (base 10) = 00000000000000000000000000000111 (base 2) = 7 (base 10)

将任一数值 x 与 0 进行异或操作，其结果为 x。将任一数值 x 与 -1 进行异或操作，其结果为 ~x。

~ (按位非)

对每一个比特位执行非（NOT）操作。NOT a 结果为 a 的反转（即反码）。非操作的真值表：

aNOT a
01
10
 9 (base 10) = 00000000000000000000000000001001 (base 2)
               --------------------------------
~9 (base 10) = 11111111111111111111111111110110 (base 2) = -10 (base 10)

对任一数值 x 进行按位非操作的结果为 -(x + 1)。例如，~5 结果为 -6。

与 indexOf 一起使用示例：

var str = 'rawr';
var searchFor = 'a';

// 这是 if (-1*str.indexOf('a') <= 0) 条件判断的另一种方法
if (~str.indexOf(searchFor)) {
  // searchFor 包含在字符串中
} else {
  // searchFor 不包含在字符串中
}

// (~str.indexOf(searchFor))的返回值
// r == -1
// a == -2
// w == -3

按位移动操作符

按位移动操作符有两个操作数：第一个是要被移动的数字，而第二个是要移动的长度。移动的方向根据操作符的不同而不同。

按位移动会先将操作数转换为大端字节序顺序(big-endian order)的32位整数,并返回与左操作数相同类型的结果。右操作数应小于 32位，否则只有最低 5 个字节会被使用。

注：Big-Endian:高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端，
又称为"高位编址"。
Big-Endian是最直观的字节序：
①把内存地址从左到右按照由低到高的顺序写出；
②把值按照通常的高位到低位的顺序写出；
③两者对照，一个字节一个字节的填充进去。

<< (左移)

该操作符会将第一个操作数向左移动指定的位数。向左被移出的位被丢弃，右侧用 0 补充。

For example, 9 << 2 yields 36:

     9 (base 10): 00000000000000000000000000001001 (base 2)
                  --------------------------------
9 << 2 (base 10): 00000000000000000000000000100100 (base 2) = 36 (base 10)

在数字 x 上左移 y 比特得到 x * 2y.

>> (有符号右移)

该操作符会将第一个操作数向右移动指定的位数。向右被移出的位被丢弃，拷贝最左侧的位以填充左侧。由于新的最左侧的位总是和以前相同，符号位没有被改变。所以被称作“符号传播”。

例如， 9 >> 2 得到 2:

     9 (base 10): 00000000000000000000000000001001 (base 2)
                  --------------------------------
9 >> 2 (base 10): 00000000000000000000000000000010 (base 2) = 2 (base 10)

相比之下， -9 >> 2 得到 -3，因为符号被保留了。

     -9 (base 10): 11111111111111111111111111110111 (base 2)
                   --------------------------------
-9 >> 2 (base 10): 11111111111111111111111111111101 (base 2) = -3 (base 10)

>>> (无符号右移)

该操作符会将第一个操作数向右移动指定的位数。向右被移出的位被丢弃，左侧用0填充。因为符号位变成了 0，所以结果总是非负的。（译注：即便右移 0 个比特，结果也是非负的。）

对于非负数，有符号右移和无符号右移总是返回相同的结果。例如 9 >>> 2 和 9 >> 2 一样返回 2：

      9 (base 10): 00000000000000000000000000001001 (base 2)
                   --------------------------------
9 >>> 2 (base 10): 00000000000000000000000000000010 (base 2) = 2 (base 10)

但是对于负数却不尽相同。 -9 >>> 2 产生 1073741821 这和 -9 >> 2 不同：

      -9 (base 10): 11111111111111111111111111110111 (base 2)
                    --------------------------------
-9 >>> 2 (base 10): 00111111111111111111111111111101 (base 2) = 1073741821 (base 10)

示例

例子：标志位与掩码

位运算经常被用来创建、处理以及读取标志位序列——一种类似二进制的变量。虽然可以使用变量代替标志位序列，但是这样可以节省内存（1/32）。

例如，有 4 个标志位：

  • 标志位 A：我们有 ant
  • 标志位 B：我们有 bat
  • 标志位 C：我们有 cat
  • 标志位 D：我们有 duck

标志位通过位序列 DCBA 来表示。当一个位被置位 (set) 时，它的值为 1 。当被清除 (clear) 时，它的值为 0 。例如一个变量 flags 的二进制值为 0101：

var flags = 5;   // 二进制 0101

这个值表示：

  • 标志位 A 是 true （我们有 ant）；
  • 标志位 B 是 false （我们没有 bat）；
  • 标志位 C 是 true （我们有 cat）；
  • 标志位 D 是 false （我们没有 duck）；

因为位运算是 32 位的， 0101 实际上是 00000000000000000000000000000101。因为前面多余的 0 没有任何意义，所以他们可以被忽略。

掩码 (bitmask) 是一个通过与/或来读取标志位的位序列。典型的定义每个标志位的原语掩码如下：

var FLAG_A = 1; // 0001
var FLAG_B = 2; // 0010
var FLAG_C = 4; // 0100
var FLAG_D = 8; // 1000

新的掩码可以在以上掩码上使用逻辑运算创建。例如，掩码 1011 可以通过 FLAG_A、FLAG_B 和 FLAG_D 逻辑或得到：

var mask = FLAG_A | FLAG_B | FLAG_D; // 0001 | 0010 | 1000 => 1011

某个特定的位可以通过与掩码做逻辑与运算得到，通过与掩码的与运算可以去掉无关的位，得到特定的位。例如，掩码 0100 可以用来检查标志位 C 是否被置位：

// 如果我们有 cat
if (flags & FLAG_C) { // 0101 & 0100 => 0100 => true
   // do stuff
}

一个有多个位被置位的掩码表达任一/或者的含义。例如，以下两个表达是等价的：

// 如果我们有 bat 或者 cat 至少一个
// (0101 & 0010) || (0101 & 0100) => 0000 || 0100 => true
if ((flags & FLAG_B) || (flags & FLAG_C)) {
   // do stuff
}

// 如果我们有 bat 或者 cat 至少一个
var mask = FLAG_B | FLAG_C; // 0010 | 0100 => 0110
if (flags & mask) { // 0101 & 0110 => 0100 => true
   // do stuff
}

可以通过与掩码做或运算设置标志位，掩码中为 1 的位可以设置对应的位。例如掩码 1100 可用来设置位 C 和 D：

// 我们有 cat 和 duck
var mask = FLAG_C | FLAG_D; // 0100 | 1000 => 1100
flags |= mask;   // 0101 | 1100 => 1101

可以通过与掩码做与运算清除标志位，掩码中为 0 的位可以设置对应的位。掩码可以通过对原语掩码做非运算得到。例如，掩码 1010 可以用来清除标志位 A 和 C ：

// 我们没有 ant 也没有 cat
var mask = ~(FLAG_A | FLAG_C); // ~0101 => 1010
flags &= mask;   // 1101 & 1010 => 1000

如上的掩码同样可以通过 ~FLAG_A & ~FLAG_C 得到（德摩根定律）：

// 我们没有 ant 也没有 cat
var mask = ~FLAG_A & ~FLAG_C;
flags &= mask;   // 1101 & 1010 => 1000

标志位可以使用异或运算切换。所有值为 1 的位可以切换对应的位。例如，掩码 0110 可以用来切换标志位 B 和 C：

// 如果我们以前没有 bat ，那么我们现在有 bat
// 但是如果我们已经有了一个，那么现在没有了
// 对 cat 也是相同的情况
var mask = FLAG_B | FLAG_C;
flags = flags ^ mask;   // 1100 ^ 0110 => 1010

最后，所有标志位可以通过非运算翻转:

// entering parallel universe...
flags = ~flags;    // ~1010 => 0101

转换片段

将一个二进制数的 String 转换为十进制的 Number:

var sBinString = "1011";
var nMyNumber = parseInt(sBinString, 2);
alert(nMyNumber); // 打印 11

将一个十进制的 Number 转换为二进制数的 String:

var nMyNumber = 11;
var sBinString = nMyNumber.toString(2);
alert(sBinString); // 打印 1011

自动化掩码创建

如果你需要从一系列的 Boolean 值创建一个掩码，你可以：

function createMask () {
  var nMask = 0, nFlag = 0, nLen = arguments.length > 32 ? 32 : arguments.length;
  for (nFlag; nFlag < nLen; nMask |= arguments[nFlag] << nFlag++);
  return nMask;
}
var mask1 = createMask(true, true, false, true); // 11, i.e.: 1011
var mask2 = createMask(false, false, true); // 4, i.e.: 0100
var mask3 = createMask(true); // 1, i.e.: 0001
// etc.

alert(mask1); // 打印 11

逆算法：从掩码得到布尔数组

如果你希望从掩码得到得到 Boolean Array ：

function arrayFromMask (nMask) {
  // nMask 必须介于 -2147483648 和 2147483647 之间
  if (nMask > 0x7fffffff || nMask < -0x80000000) {
    throw new TypeError("arrayFromMask - out of range");
  }
  for (var nShifted = nMask, aFromMask = []; nShifted;
       aFromMask.push(Boolean(nShifted & 1)), nShifted >>>= 1);
  return aFromMask;
}

var array1 = arrayFromMask(11);
var array2 = arrayFromMask(4);
var array3 = arrayFromMask(1);

alert("[" + array1.join(", ") + "]");
// 打印 "[true, true, false, true]", i.e.: 11, i.e.: 1011

你可以同时测试以上两个算法……

var nTest = 19; // our custom mask
var nResult = createMask.apply(this, arrayFromMask(nTest));

alert(nResult); // 19

仅仅由于教学目的 （因为有 Number.toString(2) 方法），我们展示如何修改 arrayFromMask 算法通过 Number 返回二进制的 String，而非 Boolean Array：

function createBinaryString (nMask) {
  // nMask must be between -2147483648 and 2147483647
  for (var nFlag = 0, nShifted = nMask, sMask = ""; nFlag < 32;
       nFlag++, sMask += String(nShifted >>> 31), nShifted <<= 1);
  return sMask;
}

var string1 = createBinaryString(11);
var string2 = createBinaryString(4);
var string3 = createBinaryString(1);

alert(string1);
// 打印 00000000000000000000000000001011, i.e. 11

规范

SpecificationStatusComment
ECMAScript 1st Edition.StandardInitial definition.
ECMAScript 5.1 (ECMA-262)
Bitwise NOT operator
ECMAScript 5.1 (ECMA-262)
Bitwise shift operators
ECMAScript 5.1 (ECMA-262)
Binary bitwise operators		Standard
ECMAScript 2015 (6th Edition, ECMA-262)
Bitwise NOT operator
ECMAScript 2015 (6th Edition, ECMA-262)
Bitwise shift operators
ECMAScript 2015 (6th Edition, ECMA-262)
Binary bitwise operators		Standard

浏览器兼容性

We're converting our compatibility data into a machine-readable JSON format. This compatibility table still uses the old format, because we haven't yet converted the data it contains. Find out how you can help!
FeatureChromeFirefox (Gecko)Internet ExplorerOperaSafari
Bitwise NOT (~)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Bitwise AND (&)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Bitwise OR (|)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Bitwise XOR (^)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Left shift (<<)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Right shift (>>)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Unsigned right shift (>>>)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
FeatureAndroidChrome for AndroidFirefox Mobile (Gecko)IE MobileOpera MobileSafari Mobile
Bitwise NOT (~)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Bitwise AND (&)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Bitwise OR (|)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Bitwise XOR (^)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Left shift (<<)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Right shift (>>)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)
Unsigned right shift (>>>)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)(Yes)

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