如何用位运算实现乘法运算?

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如何用位运算实现乘法运算?

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前言

在上一篇中,我们介绍了使用位运算实现加法和减法运算,接下来本文主要介绍如何用位运算实现乘法运算,在实现乘法时要用位运算实现,并且不能出现加减乘除任何符号。

之前介绍过一篇如何用位运算实现加法和减法: 如何用位运算实现加减运算?

正文

在用位运算实现之前,我们先来回忆一下小学时,学乘法时用的十字相乘法。

十进制相乘

例如,26 * 15,在进行乘法操作时,我们一般这样算,先用5乘以6得到30,把0写下把3记在一边,再用5乘以2得到10再加上之前的3写在下面,得到130;计算完5再计算1分别乘以6和2把得到的结果26记在下面,然后把130和26相加(有错位)得到390。

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二进制相乘

看完了十进制的相乘,再来看下二进制的相乘,基本原理是一样的,也是以十字相乘法为例,计算 5 * 7。 5的二进制为101,7的二进制为111,来看下二进制的十字相乘法。

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可以看到二进制为101和二进制111用传统的方式来计算,得到的结果为100011,而二进制100011对应的十进制为35。 所以说,在计算的过程中,十进制和二进制的计算方式是一样的,当然这里就不进行举例和证明了。

思路分析

既然计算过程有了,那么怎么样用代码来实现呢?

我们再来看下上图中二进制的计算过程:

先用二进制111的最后一位1 乘上 101 得到 101。 再用二进制111的倒数第2位1 乘上 101 得到 101。 再用二进制111的倒数第3位1 乘上 101 得到 101。 得到的三个101进行二进制相加,得到 100011。

注意,第2步和第3步得到的结果101都往前挪了一位,相当于1010和10100,也就是最后相加的计算为:10100 + 1010 + 101 = 100011。

再来看得到最终相加的计算10100 + 1010 + 101 = 100011,也就是只要我们找到如何把数据转换为几位数的相加就可以了,因为之前已经实现了如何用位运算实现加法操作。

这三个数101、1010、10100的数量刚好与二进制111的个数相同,也就是二进制(上图下面那个乘数111)有几位就会产生几个数相加,如果是与11111相乘就会产生5个数相加。

再来看数据之前的关系:

第一次相乘结果:101 = 101 + 0 第二次相乘结果:1111 = 101 < 1 + 101 = 1010 + 101 第三次相乘结果:100011 = 101 < 2 + 1111 = 10100 + 1010 + 101

从这里我们可以看到,每计算一次,101只需要向左移一次再加上上一次的计算结果就可以了。

那么,怎么知道要左移多少次呢?从这里例子中看,111每次计算后,向右移动一次,101也跟着向左移动一次,直到111只剩最后一位,则停止计算就好了。

代码实现

根据上面的思路,来实现一下代码:

// 用位运算实现加法 public static int add(int a, int b) { int sum = 0; while (b != 0) { sum = a ^ b; b = (a & b) = 1; } return res; } 复制代码

运行一下代码,看下结果:

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可以看到计算是正确的,而且还支持负数。

总结

本文介绍了如何用纯位运算实现乘法的运算,并介绍了实现思路以及分析,需要注意的是,位运算右移的时候需要使用无符号右移,否则的话,会出现死循环的。

另外,本文只是介绍利用位运算来实现乘法的实现过程、知识点的介绍,虽然是使用的位运算但是效率是不能和Java原生的加法运算相比的,并没有原生的效率高。

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