Javaで覚えるべき二項演算子の13選

Java言語の二項演算子を解説するイラストJava
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この記事では、プログラムの基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

基本的な知識があればカスタムコードを使って機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

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はじめに

この記事を読めば、Javaでの二項演算子の使い方をマスターすることができるようになります。

二項演算子はプログラミングの基本的な概念の一つであり、数値計算や条件判定など多くの場面で使います。

Java初心者がしっかりと理解しておくべき内容であり、この記事はそんなあなたにピッタリです。

●Javaの二項演算子とは

二項演算子とは、2つの値(オペランド)に対して何らかの処理を行い、その結果を返すものです。

たとえば、足し算の+や引き算の-がそれに該当します。

Java言語では多くの種類の二項演算子が用意されており、それぞれ特定のタイプのデータに対して特定の操作を行います。

○二項演算子の基本概念

Javaにおいてよく使われる二項演算子は次のようなものです。

  1. 算術演算子:+, -, *, /, %
  2. 比較演算子:==, !=, <, >, <=, >=
  3. 論理演算子:&&, ||
  4. ビット演算子:&, |, ^, <<, >>, >>>

これらは、データの計算、比較、論理的な操作、ビットレベルの操作など様々な場面で使われます。

それぞれの演算子がどのように機能するのか、何に使うのか、どのようなデータ型と互換性があるのかなど、これから一つ一つ詳しく見ていきましょう。

●二項演算子の使い方

Javaでの二項演算子の使い方について、いくつかの具体的な例を通して解説していきます。

実際に手を動かして学ぶことで、理解が深まるでしょう。

○サンプルコード1:算術演算子を使う

最も基本的な算術演算子について見ていきましょう。

Javaでは、足し算(+)、引き算(-)、掛け算(*)、割り算(/)、剰余(%)などがあります。

public class ArithmeticOperatorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num1 = 10;
        int num2 = 20;

        // 足し算
        int sum = num1 + num2;  // 30が格納される

        // 引き算
        int diff = num1 - num2;  // -10が格納される

        // 掛け算
        int product = num1 * num2;  // 200が格納される

        // 割り算
        int quotient = num1 / 2;  // 5が格納される

        // 剰余(余り)
        int remainder = num1 % 3;  // 1が格納される
    }
}

このコードでは、num1num2という二つの変数に整数を格納し、それらを用いて各種算術演算を行っています。

計算結果はそれぞれの変数に格納されます。

具体的には、sumには30、diffには-10、productには200、quotientには5、remainderには1が格納されます。

○サンプルコード2:比較演算子を用いた数値の比較

次に比較演算子についてです。

これは数値やオブジェクトを比較して、その結果を真偽値(trueまたはfalse)で返すものです。

public class ComparisonOperatorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 10;

        // 等しいかどうか
        boolean isEqual = (a == b);  // falseが格納される

        // 等しくないかどうか
        boolean isNotEqual = (a != b);  // trueが格納される

        // より大きいかどうか
        boolean isGreater = (a > b);  // falseが格納される

        // より小さいかどうか
        boolean isSmaller = (a < b);  // trueが格納される

        // より大きいか等しいかどうか
        boolean isGreaterOrEqual = (a >= b);  // falseが格納される

        // より小さいか等しいかどうか
        boolean isSmallerOrEqual = (a <= b);  // trueが格納される
    }
}

このコードでは、abという二つの整数変数を比較しています。

比較の結果は、isEqualisNotEqualisGreaterisSmallerisGreaterOrEqualisSmallerOrEqualという真偽値を持つ変数に格納されます。

具体的には、isEqualにはfalseisNotEqualにはtrueisGreaterにはfalseisSmallerにはtrueisGreaterOrEqualにはfalseisSmallerOrEqualにはtrueが格納されます。

○サンプルコード3:論理演算子を用いた条件判定

Javaでよく使われる論理演算子について説明していきます。

論理演算子は、主に条件文(if文など)で用いられ、複数の条件を組み合わせる際に非常に便利です。

基本的な論理演算子には、論理積(&&)、論理和(||)、論理否定(!)があります。

public class LogicalOperatorExample {
    public static void main(String[] args) {
        boolean condition1 = true;
        boolean condition2 = false;

        // 論理積(両方の条件がtrueであればtrueを返す)
        boolean andResult = condition1 && condition2;  // falseが格納される

        // 論理和(どちらか一方がtrueであればtrueを返す)
        boolean orResult = condition1 || condition2;  // trueが格納される

        // 論理否定(条件がfalseであればtrueを返す、逆も然り)
        boolean notResult = !condition1;  // falseが格納される
    }
}

このサンプルコードでは、condition1condition2という名前の変数を用いて論理演算子を使った条件判定を行っています。

andResultcondition1condition2の両方がtrueである場合にtrueを返しますが、ここではcondition2がfalseなので、結果はfalseになります。

同様に、orResultはどちらか一方がtrueであればtrueを返し、この場合はcondition1がtrueなので、trueが返ります。

最後に、notResultcondition1がtrueであるため、論理否定を行うとfalseが返ります。

○サンプルコード4:ビット演算を試す

ビット演算は、数値をそのビット表現にした際の各ビット同士での演算を行うものです。

基本的なビット演算子には、ビット積(&)、ビット和(|)、ビット否定(~)、排他的論理和(^)、左シフト(<<)、右シフト(>>)、符号なし右シフト(>>>)などがあります。

public class BitwiseOperatorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num1 = 5;  // 二進数で 0101
        int num2 = 3;  // 二進数で 0011

        // ビット積
        int andBitwise = num1 & num2;  // 1が格納される(二進数で 0001)

        // ビット和
        int orBitwise = num1 | num2;  // 7が格納される(二進数で 0111)

        // ビット否定
        int notBitwise = ~num1;  // -6が格納される(二進数で 11111111111111111111111111111010)

        // 排他的論理和
        int xorBitwise = num1 ^ num2;  // 6が格納される(二進数で 0110)
    }
}

このコードで行っているビット演算は、num1num2という2つの整数変数を基にしています。

それぞれのビット演算結果は、andBitwiseorBitwisenotBitwisexorBitwiseという変数に格納されています。

andBitwiseではビット積を取って1が、orBitwiseではビット和を取って7が、notBitwiseではビット否定を行って-6が、xorBitwiseでは排他的論理和を行って6が格納されます。

●二項演算子の応用例

二項演算子を基礎的なレベルで理解したら、次はその応用例を見てみましょう。

具体的には、算術演算子や論理演算子を活用したより実践的なプログラムを考察します。

○サンプルコード5:算術演算子を使った簡易計算機

一般的な計算機は四則演算(加算、減算、乗算、除算)が基本ですよね。

下記のJavaコードでは、これらの四則演算をメソッドとして実装しています。

public class SimpleCalculator {
    // 加算
    public static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    // 減算
    public static int subtract(int a, int b) {
        return a - b;
    }

    // 乗算
    public static int multiply(int a, int b) {
        return a * b;
    }

    // 除算
    public static double divide(int a, int b) {
        if (b == 0) {
            return Double.NaN; // 0で除算する場合はNaN(Not a Number)を返す
        }
        return (double) a / b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(add(5, 3));  // 出力は8
        System.out.println(subtract(5, 3));  // 出力は2
        System.out.println(multiply(5, 3));  // 出力は15
        System.out.println(divide(5, 3));  // 出力は1.6666666666666667
    }
}

このJavaプログラムにおいては、算術演算子を使って四則演算の各メソッドを実装しています。

具体的には、addメソッドは加算、subtractメソッドは減算、multiplyメソッドは乗算、divideメソッドは除算を行います。

除算の場合は、分母が0であればNaN(Not a Number)を返すように注意が払われています。

このプログラムを実行すると、各演算に対応する値が出力されます。

具体的には、加算では8、減算では2、乗算では15、除算では約1.67が出力されるわけです。

○サンプルコード6:複数の条件を組み合わせて判定する

次に、論理演算子を使って複数の条件を組み合わせた判定を行うプログラムを考えてみましょう。

public class MultiConditionsExample {
    public static void main(String[] args) {
        int score = 85;
        boolean isHandsome = true;

        if (score > 80 && isHandsome) {
            System.out.println("素晴らしい!");
        } else if (score > 80 || isHandsome) {
            System.out.println("なかなか良い!");
        } else {
            System.out.println("がんばりましょう!");
        }
    }
}

このプログラムでは、score(点数)とisHandsome(イケメンかどうか)という二つの変数をもとに、条件判定を行っています。

if文の中で論理積(&&)と論理和(||)を使い、複数の条件を評価しています。

このプログラムを実行すると、「素晴らしい!」と出力されます。

これは、scoreが80より大きく、かつisHandsomeがtrueであるため、最初のif文の条件に一致するからです。

○サンプルコード7:ビットフラグを活用した設定の管理

ビットフラグを使った設定管理は、特にゲーム開発や埋め込みシステムでよく用いられます。

ビット演算を活用することで、複数の設定を一つの整数変数で管理できるのが特長です。

下記のJavaコードでは、ビットフラグを活用してユーザーの設定(通知、ダークモード、音声認識)を管理しています。

public class BitFlagExample {
    // 各設定項目に対応するビットフラグ
    public static final int NOTIFY = 1;  // 0001
    public static final int DARK_MODE = 2;  // 0010
    public static final int VOICE_RECOG = 4;  // 0100

    public static void main(String[] args) {
        int settings = 0;  // 設定を初期化

        // 通知とダークモードを有効にする
        settings |= NOTIFY;
        settings |= DARK_MODE;

        // 設定をチェックする
        if ((settings & NOTIFY) == NOTIFY) {
            System.out.println("通知が有効です。");
        }
        if ((settings & DARK_MODE) == DARK_MODE) {
            System.out.println("ダークモードが有効です。");
        }
        if ((settings & VOICE_RECOG) == VOICE_RECOG) {
            System.out.println("音声認識が有効です。");
        } else {
            System.out.println("音声認識は無効です。");
        }
    }
}

このJavaコードでは、ビット演算を用いて3つの設定項目(通知、ダークモード、音声認識)を一つの整数変数settingsで管理しています。

ビットOR演算子(|=)を使って設定を追加し、ビットAND演算子(&)を使って設定の有無を確認しています。

このコードを実行すると、”通知が有効です。”、”ダークモードが有効です。”、”音声認識は無効です。”と出力されます。

この結果から、通知とダークモードが有効であり、音声認識は無効であることが確認できます。

○サンプルコード8:シフト演算を使った高速計算テクニック

シフト演算は、ビットを左右に移動させる演算です。一般的な乗算や除算よりも高速に計算できる場合があります。

例えば、2のn乗を計算する場合、普通に乗算を行うよりも左シフト演算を使用した方が高速です。

下記のJavaコードで詳しく見てみましょう。

public class ShiftExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num = 1;

        // 2の3乗を計算(左シフトで高速計算)
        num = num << 3;

        System.out.println("2の3乗は" + num + "です。");
    }
}

このJavaコードでは、シフト演算を使って2の3乗を計算しています。

具体的には、1を左に3ビットシフトしています。このコードの実行結果として、”2の3乗は8です。”と出力されます。

このように、シフト演算を用いれば、特定の計算を高速に行うことが可能です。

●注意点と対処法

Javaの二項演算子は非常に便利で多用されますが、いくつか注意すべきポイントとその対処法があります。

今回は特に「割り算の際の0除算」や「浮動小数点数の比較」について詳しく解説していきます。

○サンプルコード9:割り算のときの0除算を避ける

Javaで割り算を行う際、0で割るとArithmeticExceptionが発生します。

これを避けるためには、割り算を行う前に分母が0でないかをチェックする必要があります。

下記のJavaコードでは、分母が0でないか確認してから割り算を行っています。

public class ZeroDivisionExample {
    public static void main(String[] args) {
        int numerator = 10;
        int denominator = 0;

        // 0除算を避ける
        if (denominator != 0) {
            int result = numerator / denominator;
            System.out.println("結果は " + result + " です。");
        } else {
            System.out.println("0で割ることはできません。");
        }
    }
}

このJavaコードでは、分母(denominator)が0かどうかをif文でチェックしています。

0でなければ割り算を行い、0であればエラーメッセージを表示します。

このコードを実行すると、”0で割ることはできません。”というメッセージが出力され、ArithmeticExceptionの発生を防げます。

○サンプルコード10:浮動小数点数の比較における注意

浮動小数点数の比較には特に注意が必要です。

コンピュータは数値を2進数で表現するため、小数点以下の数値が正確に表現できない場合があります。

このため、==演算子で厳密な比較を行うのは避け、許容誤差を持たせた比較を行うのが一般的です。

下記のJavaコードでは、浮動小数点数の比較に許容誤差を加えています。

public class FloatComparisonExample {
    public static void main(String[] args) {
        double a = 0.1 + 0.2;
        double b = 0.3;
        final double EPSILON = 1E-14;  // 許容誤差

        // 許容誤差を持たせて比較
        if (Math.abs(a - b) < EPSILON) {
            System.out.println("ほぼ等しい");
        } else {
            System.out.println("等しくない");
        }
    }
}

このJavaコードでは、Math.abs(a - b) < EPSILONという条件でabの差が非常に小さいかどうかを判断しています。

ここでEPSILONは非常に小さい正の数で、これが許容誤差となります。

コードを実行すると、「ほぼ等しい」と出力されます。

●カスタマイズ方法

Javaでの二項演算子の使用には様々なカスタマイズ方法が存在します。

標準的な演算子だけでなく、より高度な処理を行いたい場合にはカスタム演算子を定義したり、ラムダ式と連携させたりする方法もあります。

また、Java 8以降で利用可能なストリームAPIを使って演算子を活用するテクニックもあります。

○サンプルコード11:カスタム演算子を定義する

Javaには演算子オーバーロードという概念がありませんが、それに近いことをメソッドを使って実現することができます。

Vectorクラスにおいて、ベクトル同士を加算するカスタムメソッドを定義している例を紹介します。

public class Vector {
    public int x, y;

    public Vector(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    // ベクトル加算のカスタムメソッド
    public Vector add(Vector another) {
        return new Vector(this.x + another.x, this.y + another.y);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Vector v1 = new Vector(2, 3);
        Vector v2 = new Vector(4, 5);
        Vector result = v1.add(v2);

        System.out.println("Result: (" + result.x + ", " + result.y + ")");
    }
}

このコードでは、addメソッドがカスタム演算子として機能します。

Vectorオブジェクト同士をこのメソッドで加算できます。

コードを実行すると、結果としてResult: (6, 8)と表示され、2つのベクトルが加算されたことが確認できます。

○サンプルコード12:ラムダ式との連携

Java 8から導入されたラムダ式を用いると、より柔軟な演算が可能です。

下記の例では、ラムダ式を用いて独自の比較処理を行っています。

import java.util.Comparator;

public class LambdaExample {
    public static void main(String[] args) {
        Comparator<Integer> comparator = (x, y) -> (x % 2) - (y % 2);

        int result = comparator.compare(3, 4);
        System.out.println("比較結果: " + result);
    }
}

このJavaコードでは、Comparatorインターフェースのcompareメソッドをラムダ式で実装しています。

偶数と奇数を比較する独自のロジックがこの中に含まれています。

実行すると、”比較結果: -1″と表示されます。

○サンプルコード13:ストリームAPIでの演算子の活用

Java 8以降で利用できるストリームAPIを使って、集合に対する演算を効率的に行うことができます。

import java.util.stream.IntStream;

public class StreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        int sum = IntStream.range(1, 6)  // 1から5までの整数ストリーム
                          .reduce(0, Integer::sum);  // 合計を求める

        System.out.println("合計: " + sum);
    }
}

ここでreduceメソッドは、ストリームの要素を結合する演算を行います。

Integer::sumはJavaが標準で用意している加算メソッドです。

このコードを実行すると、”合計: 15″と表示されます。

まとめ

この記事を通して、Javaで使用できる二項演算子について詳しく探ってきました。

算術演算子から比較、論理、ビット演算まで多岐にわたる内容を、初心者にも理解しやすいように解説してきました。

サンプルコードを交えながら、各演算子の基本的な使い方、注意点、そしてさまざまなカスタマイズ方法についても触れてきました。

Javaプログラミングの学習に、何らかの形でお役に立てたのであれば幸いです。