Java位运算在程序设计中的使用：位掩码（BitMask）

2023年9月11日 163次阅读来源: Class Xman

在Java中，位运算符有很多，例如与(&)、非(~)、或(|)、异或(^)、移位(<<和>>)等。这些运算符在日常编码中很少会用到。

在下面的一个例子中，会用到位掩码（BitMask），其中包含大量的位运算。不只是在Java中，其他编写语言中也是可以使用的。

例如，在一个系统中，用户一般有查询(Select)、新增(Insert)、修改(Update)、删除(Selete)四种权限，四种权限有多种组合方式，也就是有16中不同的权限状态（2的4次方）。

一般情况下会想到用四个boolean类型变量来保存：

Permission.java

public class Permission {
	
	// 是否允许查询
	private boolean allowSelect;
	
	// 是否允许新增
	private boolean allowInsert;
	
	// 是否允许删除
	private boolean allowDelete;
	
	// 是否允许更新
	private boolean allowUpdate;

	public boolean isAllowSelect() {
		return allowSelect;
	}

	public void setAllowSelect(boolean allowSelect) {
		this.allowSelect = allowSelect;
	}

	public boolean isAllowInsert() {
		return allowInsert;
	}

	public void setAllowInsert(boolean allowInsert) {
		this.allowInsert = allowInsert;
	}

	public boolean isAllowDelete() {
		return allowDelete;
	}

	public void setAllowDelete(boolean allowDelete) {
		this.allowDelete = allowDelete;
	}

	public boolean isAllowUpdate() {
		return allowUpdate;
	}

	public void setAllowUpdate(boolean allowUpdate) {
		this.allowUpdate = allowUpdate;
	}
}

上面用四个boolean类型变量来保存每种权限状态。下面是另外一种方式，使用位掩码的话，用一个二进制数即可，每一位来表示一种权限，0表示无权限，1表示有权限。

NewPermission.java

public class NewPermission {
	// 是否允许查询，二进制第1位，0表示否，1表示是
	public static final int ALLOW_SELECT = 1 << 0; // 0001
	
	// 是否允许新增，二进制第2位，0表示否，1表示是
	public static final int ALLOW_INSERT = 1 << 1; // 0010
	
	// 是否允许修改，二进制第3位，0表示否，1表示是
	public static final int ALLOW_UPDATE = 1 << 2; // 0100
	
	// 是否允许删除，二进制第4位，0表示否，1表示是
	public static final int ALLOW_DELETE = 1 << 3; // 1000
	
	// 存储目前的权限状态
	private int flag;

	/**
	 *  重新设置权限
	 */
	public void setPermission(int permission) {
		flag = permission;
	}

	/**
	 *  添加一项或多项权限
	 */
	public void enable(int permission) {
		flag |= permission;
	}
	
	/**
	 *  删除一项或多项权限
	 */
	public void disable(int permission) {
		flag &= ~permission;
	}
	
	/**
	 *  是否拥某些权限
	 */
	public boolean isAllow(int permission) {
		return (flag & permission) == permission;
	}
	
	/**
	 *  是否禁用了某些权限
	 */
	public boolean isNotAllow(int permission) {
		return (flag & permission) == 0;
	}
	
	/**
	 *  是否仅仅拥有某些权限
	 */
	public boolean isOnlyAllow(int permission) {
		return flag == permission;
	}
}

NewPermission代码中，用四个常量表示了每个二进制位代码的权限项。
例如：
ALLOW_SELECT = 1 << 0 转成二进制就是0001，二进制第一位表示Select权限，
ALLOW_INSERT = 1 << 1 转成二进制就是0010，二进制第二位表示Insert权限
……

private int flag存储了各种权限的启用和停用状态，相当于代替了Permission中的四个boolean类型的变量。
用flag的四个二进制位来表示四种权限的状态，每一位的0和1代表一项权限的启用和停用：

flag	删除	修改	新增	查询
1(0001)	0	0	0	1	只允许查询（即等于ALLOW_SELECT）
2(0010)	0	0	1	0	只允许新增（即等于ALLOW_INSERT）
4(0100)	0	1	0	0	只允许修改（即等于ALLOW_UPDATE）
8(1000)	1	0	0	0	只允许删除（即等于ALLOW_DELETE）
3(0011)	0	0	1	1	只允许查询和新增
0	0	0	0	0	四项权限都不允许
15(1111)	1	1	1	1	四项权限都允许

…等等，不一一列举。
使用位掩码的方式，只需要用一个大于或等于0且小于16的整数即可表示所有的16种权限的状态。

此外，还有很多设置权限和判断权限的方法，用到了很多位运算，例如

public void enable(int permission) {
	flag |= permission; // 相当于flag = flag | permission;
}

这个方法是在现有的权限基础上添加一项或多项权限。
添加一项Update权限：

permission.enable(NewPermission.ALLOW_UPDATE);

假设现有权限只有Select，也就是flag是0001。
执行以上代码：
flag = 0001 | 0100，也就是0101，便拥有了Select和Update两项权限。

添加Insert、Update、Delete三项权限：

permission.enable(NewPermission.ALLOW_INSERT 
    | NewPermission.ALLOW_UPDATE | NewPermission.ALLOW_DELETE);

NewPermission.ALLOW_INSERT | NewPermission.ALLOW_UPDATE | NewPermission.ALLOW_DELETE运算结果是1110。
假设现有权限只有Select，也就是flag是0001。
flag = 0001 | 1110，也就是1111，便拥有了这四项权限，相当于添加了三项权限。
上面的设置如果使用Permission类的话，就需要下面三行代码：

permission.setAllowInsert(true);
permission.setAllowUpdate(true);
permission.setAllowDelete(true);

其他方法不再一一解释。

下面对比Permission和NewPermission两种方式：

1.设置仅允许Select和Insert权限

Permission

permission.setAllowSelect(true);
permission.setAllowInsert(true);
permission.setAllowUpdate(false);
permission.setAllowDelete(false);

NewPermission

permission.setPermission(NewPermission.ALLOW_SELECT | NewPermission.ALLOW_INSERT);

2.判断是否允许Select和Insert、Update权限

Permission

if (permission.isAllowSelect() && permission.isAllowInsert() && permission.isAllowUpdate())

NewPermission

if (permission. isAllow (NewPermission.ALLOW_SELECT 
    | NewPermission.ALLOW_INSERT | NewPermission.ALLOW_UPDATE))

3.判断是只否允许Select和Insert权限

Permission

if (permission.isAllowSelect() && permission.isAllowInsert() 
    && !permission.isAllowUpdate() && !permission.isAllowDelete())

NewPermission

if (permission. isOnlyAllow (NewPermission.ALLOW_SELECT | NewPermission.ALLOW_INSERT))

二者对比可以感受到MyPermission位掩码方式相对于Permission的优势，可以节省很多代码量，位运算是底层运算，效率也非常高，而且理解起来也很简单。

附：

在Java反射中，java.lang.reflect.Modifier是用来判断类、成员变量、方法等包含的修饰符。在Modifier的源代码中可以看到：

public static final int PUBLIC           = 0x00000001;
public static final int PRIVATE          = 0x00000002;  
public static final int PROTECTED        = 0x00000004;  
public static final int STATIC           = 0x00000008;  
public static final int FINAL            = 0x00000010;  
public static final int SYNCHRONIZED     = 0x00000020;
// ......
public static boolean isProtected(int mod) {
	return (mod & PROTECTED) != 0;
}
public static boolean isStatic(int mod) {
	return (mod & STATIC) != 0;
}

这里使用二进制位来表示是否有某个修饰符。具体使用方式可以去看我的另一篇博文： Java反射之如何判断类或变量、方法的修饰符(Modifier解析)

此外，在Android开发中，Linkify可以设置文本中的地址、电话、邮箱等是否支持点击链接：

Linkify.addLinks(textView, Linkify.WEB_URLS | Linkify.EMAIL_ADDRESSES);

android.text.util.Linkify部分源码：

public static final int WEB_URLS = 0x01;
public static final int EMAIL_ADDRESSES = 0x02;
public static final int PHONE_NUMBERS = 0x04;
public static final int MAP_ADDRESSES = 0x08;
public static final int ALL = WEB_URLS | EMAIL_ADDRESSES | PHONE_NUMBERS | MAP_ADDRESSES;

public static final boolean addLinks(Spannable text, int mask) {
    if (mask == 0) {
        return false;
    }

    URLSpan[] old = text.getSpans(0, text.length(), URLSpan.class);

    for (int i = old.length - 1; i >= 0; i--) {
        text.removeSpan(old[i]);
    }

    ArrayList<LinkSpec> links = new ArrayList<LinkSpec>();

    if ((mask & WEB_URLS) != 0) {
        gatherLinks(links, text, Patterns.WEB_URL,
            new String[] { "http://", "https://", "rtsp://" },
            sUrlMatchFilter, null);
    }

    if ((mask & EMAIL_ADDRESSES) != 0) {
        gatherLinks(links, text, Patterns.EMAIL_ADDRESS,
            new String[] { "mailto:" },
            null, null);
    }

    if ((mask & PHONE_NUMBERS) != 0) {
        gatherLinks(links, text, Patterns.PHONE,
            new String[] { "tel:" },
            sPhoneNumberMatchFilter, sPhoneNumberTransformFilter);
    }

    if ((mask & MAP_ADDRESSES) != 0) {
        gatherMapLinks(links, text);
    }

    pruneOverlaps(links);

    if (links.size() == 0) {
        return false;
    }

    for (LinkSpec link: links) {
        applyLink(link.url, link.start, link.end, text);
    }

    return true;
}

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    原文作者：Class Xman
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