1️⃣ 비트 연산자에 대한 이해

1. 2진법.

자바 프로그래밍에서의 이진법은 컴퓨터의 지본 숫자 시스템을 참조하는 것입니다.
컴퓨터는 데이터를 0과 1의 형태, 즉 이진수로 처리합니다.
자바에서도 이러한 이진법을 사용하여 데이터를 저장, 처리하며 다양한 연산을 수행할 수 있습니다.

1.1 자바에서 2진법을 사용하는 예.

• 1. 이진 리터럴 : 자바 7 이상부터는 정수를 이진 리터럴로 직접 표현할 수 있습니다.
  • 예를 들어, ‘int x = 0b1010;’ 은 이진수 ‘1010’ 이고, 십진수로 10입니다.
• 2. 비트 연산자 : 자바는 비트 연산을 수행할 수 있는 여러 연산자를 제공합니다.
  • 예를 들어, 다음과 같습니다.
    • '&' (AND 연산자)
    • '|' (OR 연산자)
    • '^' (XOR 연산자)
    • '~' (NOT 연산자)
    • '<<' (왼쪽 시프트)
    • '>>' (오른쪽 시프트)
    • '>>>' (부호 없는 오른쪽 시프트)
      • 이들 연산자는 주로 효율적인 수치 계산, 저수준 프로그래밍, 암호와 작업 등에 사용됩니다.
• 3. 이진 데이터 조작 : 파일이나 네트워크를 통해 바이트 단위로 데이터를 읽고 쓸 때, 이진 형식으로 데이터를 처리합니다.
  • 자바에서는 'byte' 자료형을 이용하여 이진 데이터를 직접 다룰 수 있습니다.

📝 정리

이진법을 사용하는 주된 이유는 컴퓨터 하드웨어가 전기 신호로 작동하기 때문에 0과 1, 즉 이진 상태를 나타내는 전기의 켜짐과 꺼짐 상태로 모든 데이터를 표현하기 편리하기 때문입니다.
이렇게 함으로써, 프로그래밍에서 더욱 직접적이고 효율적인 하드웨어 조작이 가능해집니다.

2. 2의 보수.

자바 프로그래밍에서의 2의 보수(2’s complement)는 음수를 표현하기 위한 방법입니다.
컴퓨터 시스템은 보통 이진법을 사용하여 데이터를 저장하고 처리하는데, 이진법에서 음수를 표현하기 위해 가장 널리 사용되는 방법이 2의 보수입니다.

2.1 2의 보수 생성 과정.

• 1. 원래 숫자의 이진 표현을 얻습니다.
  • 예를 들어, 5의 이진 표현은 ‘0101’ 입니다.
• 2. 이진 표현의 모든 비트를 반전시킵니다.
  • 즉, 0은 1로, 1은 0으로 변경합니다.
  • 5의 경우 ‘0101’ 이 ‘1010’ 이 됩니다.
• 3. 반전된 값에 1을 더합니다.
  • 이렇게 하면 ‘1011’ 이됩니다.

이렇게 생성된 ‘1011’ 은 -5를 나타냅니다.
이 방법은 자바를 포함한 대부분의 프로그래밍 언어와 컴퓨터 시스템에서 음수를 표현하는 표준 방법입니다.

2.2 2의 보수의 장점.

• 덧셈 연산만으로 뺄셈을 할 수 있습니다.
  • 예를 들어, 5-5를 계산하려면 5와 -5의 2의 보수를 더하면 됩니다.
    • 이진법으로는 ‘1010 + 1011 = 10000’ 이고, 최상위 비트(캐리 비트)는 무시합니다.
      • 따라서 결과는 ‘0000’ 이 됩니다.
• 오버플로 처리가 간단합니다.
  • 캐리 비트는 무시하면서 자연스럽게 오버플로를 처리할 수 있습니다.

2.3 자바에서의 활용.

자바에서는 정수형 타입(‘int’, ‘long’, ‘short’, ‘byte’) 이 이진법으로 2의 보수 형태로 저장되고 처리됩니다.
이는 자바의 모든 정수 연산에 내장된 메커니즘입니다.
예를 들어, 자바에서 ‘-5’ 를 선언하면 내부적으로는 ‘5’ 의 2의 보수인 ‘111…11011’ (32비트 시스템에서의 표현)으로 저장됩니다.

📝 정리

2의 보수 방식은 음수를 다루기 위한 효과적인 방법이며, 프로그래머가 별도의 조치를 취하지 않아도 시스템이 자동으로 처리해 주기 때문에 매우 편리합니다.

3. 비트 논리연산자.

자바 프로그래밍에서 비트 논리연산자는 비트 단위로 논리 연산을 수행하는 연산자입니다.
이들 연산자는 주로 정수 타입의 변수에 사용되며, 각 비트를 독립적으로 비교하여 결과를 반환합니다.
비트 논리연산자는 주로 저수준 프로그래밍, 효율적인 데이터 처리, 상태 플래그 관리, 암호화 등의 작업에 활용됩니다.

자바에서 사용되는 주요 비트 논리 연산자는 다음과 같습니다.

• 1. AND 연산자(‘&’) : 두 피연산자의 비트가 모두 1일 경우에만 결과의 해당 비트를 1로 설정합니다.
  • 예를 들어, ‘5 & 3’ 은 이진수로 ‘0101 & 0011’ 을 계산하여 ‘0001’ 이 되므로, 결과는 ‘1’ 입니다.

• **2. OR 연산자(‘

  ’) :** 두 피연산자 중 하나라도 비트가 1이면 결과의 해당 비트를 1로 설정합니다.

  • 예를 들어, **‘5

    3’** 은 이진수로 **‘0101

    0011’** 을 계산하여 ‘0111’ 이 되므로, 결과는 ‘7’ 입니다.

• 3. XOR 연산자(‘^’) : 두 피연산자의 비트가 서로 다를 경우 결과의 해당 비트를 1로 설정합니다.
  • 예를 들어, ‘5 ^ 3’ 은 이진수로 ‘0101 ^ 0011’ 을 계산하여 ‘0110’ 이 되므로, 결과는 ‘6’ 입니다.
• 4. NOT 연산자(‘~’) : 피연산자의 모든 비트를 반전시킵니다.(1은 0으로, 0은 1로).
  • 예를 들어, ‘~5’ 는 이진수로 ‘~0101’ 을 계산하여 ‘…1010’(무한히 많은 1 다음에 1010)이 되고, 이는 보통 32비트 시스템에서 ‘-6’ 으로 해석됩니다.
• 5. 왼쪽 시프트(‘«’) : 모든 비트를 왼쪽으로 지정된 수만틈 이동시키고, 오른쪽은 0으로 채웁니다.
  • 예를 들어.‘3 « 2’ 는 ‘0011’ 을 왼쪽으로 2비트 이동하여 ‘1100’ 이 되므로, 결과는 ‘12’ 입니다.
• 6. 오른쪽 시프트(‘»’) : 모든 비트를 오른쪽으로 지정된 수만큼 이동시키고, 왼쪽은 최상위 비트(부호 비트)의 값으로 채웁니다.
  • 예를 들어, ‘-8 » 2’ 는 ‘11111000’ 을 오른쪽으로 2비트 이동하여 ‘11111110’ 이 되므로, 결과는 ‘-2’ 입니다.
• 7. 부호 없는 오른쪽 시프트(‘»>’) : 모든 비트를 오른쪽으로 지정된 수만큼 이동시키고, 왼쪽은 0으로 채웁니다. 이는 부호 비트를 무시하고, 순수하게 비트를 오른쪽으로 이동시키기 때문에 음수에 사용했을 때 결과가 달라집니다.

📝 정리

이러한 비트 논리 연산자들은 데이터의 특정 비트를 직접 조작할 필요가 있는 경우에 유용하며, 자바 프로그래밍에서 중요한 도구입니다.