[Java] 비트 연산(bit)과 비트마스크(bit mask) 알아보기

 

개요

비트마스킹(Bit Masking)은 비트 연산을 활용하여 데이터의 특정 비트를 조작하거나 확인하는 방법입니다.

 

효율적으로 데이터를 저장, 처리, 그리고 계산할 수 있는 장점이 있어 프로그래밍에서 널리 사용됩니다. 특히, 알고리즘 문제 해결, 시스템 프로그래밍, 데이터 압축 등의 분야에서 주로 활용됩니다.

 

비트란 ?

 

비트(Bit)는 Binary Digit의 줄임말로, 컴퓨터가 정보를 표현하고 처리하는 가장 기본적인 단위입니다.

비트는 0 또는 1의 두 가지 상태를 가질 수 있으며, 이는 디지털 시스템에서 데이터를 저장하거나 전송할 때 사용됩니다.

 

n비트 정수형 변수는 2^0 ~ 2^n-1까지 표현할 수 있습니다.

비트의 개념

 

• 디지털 정보의 최소 단위
  • 비트는 0과 1이라는 두 상태로만 정보를 표현합니다.
• 이진법(Binary System)
  • 컴퓨터는 전기 신호(ON/OFF)로 데이터를 처리하므로 이진법을 기반으로 동작합니다.
    • 0: 신호가 꺼진 상태 (Low Voltage)
    • 1: 신호가 켜진 상태 (High Voltage)

 

비트 마스킹(Bit Masking)이란 ?

비트마스킹은 비트(bit)의 상태(0 또는 1)를 이용하여 데이터를 표현하거나 관리하는 방식입니다. 마스킹(masking)이라는 용어는 특정 비트를 가리거나 선택적으로 다루는 작업에서 유래되었습니다.

 

• 비트 연산: 비트마스킹의 핵심은 AND, OR, XOR, NOT과 같은 비트 연산자입니다.
  • AND(&)
    • 특정 비트를 끌어냄 (0으로 마스킹)
  • OR(|)
    • 특정 비트를 설정 (1로 마스킹)
  • XOR(^)
    • 특정 비트를 반전
  • NOT(~)
    • 비트 반전 (1을 0으로, 0을 1로)

 

비트 마스킹(Bit Masking)의 주요 활용

1. 특정 비트 확인

정수의 특정 비트가 1인지 0인지 확인할 때 사용됩니다.

int number = 5; // 5 = 0101 (2진수)
int bitPosition = 1; // 확인하려는 비트 위치 (0부터 시작)

// 비트 확인
boolean isSet = (number & (1 << bitPosition)) != 0;
System.out.println(isSet); // true

• 1 << bitPosition
  • 원하는 위치에 1을 세팅한 비트마스크를 생성합니다.
• number & mask
  • AND 연산으로 해당 위치의 비트를 추출합니다.

2. 특정 비트 설정

특정 비트를 1로 설정합니다.

int number = 5; // 5 = 0101
int bitPosition = 2; // 설정하려는 비트 위치

// 비트 설정
number |= (1 << bitPosition);
System.out.println(number); // 101 = 7

• number | mask
  • OR 연산으로 특정 위치의 비트를 1로 만듭니다.

3. 특정 비트 해제

특정 비트를 0으로 설정합니다.

int number = 7; // 7 = 0111
int bitPosition = 1; // 해제하려는 비트 위치

// 비트 해제
number &= ~(1 << bitPosition);
System.out.println(number); // 0101 = 5

• ~(1 << bitPosition)
  • 특정 위치를 0으로 설정한 비트마스크를 생성합니다.
• number & mask
  • AND 연산으로 해당 위치의 비트를 0으로 만듭니다.

4. 비트 반전

특정 비트를 반전(1 -> 0, 0 -> 1)합니다.

int number = 5; // 5 = 0101
int bitPosition = 0; // 반전하려는 비트 위치

// 비트 반전
number ^= (1 << bitPosition);
System.out.println(number); // 0100 = 4

• number ^ mask
  • XOR 연산으로 비트를 반전시킵니다.

5. 부분 집합 생성

비트마스킹은 집합을 효율적으로 표현할 때도 사용됩니다. 예를 들어, 크기가 n인 집합의 모든 부분집합을 비트마스크를 이용해 구할 수 있습니다.

 

int[] set = {1, 2, 3}; // 집합
int n = set.length; // 원소 개수

// 모든 부분집합 생성
for (int mask = 0; mask < (1 << n); mask++) {
    System.out.print("{ ");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if ((mask & (1 << i)) != 0) { // i번째 원소 포함 여부 확인
            System.out.print(set[i] + " ");
        }
    }
    System.out.println("}");
}

• mask & (1 << i): mask의 i번째 비트가 1인지 확인합니다.
  • i번째 비트가 1이면 mask에서 해당 원소가 부분집합에 포함됨을 의미합니다.

{ }
{ 1 }
{ 2 }
{ 1 2 }
{ 3 }
{ 1 3 }
{ 2 3 }
{ 1 2 3 }

 

비트 마스킹(Bit Masking)의 장점

1. 메모리 효율성

• 데이터를 비트 단위로 표현하므로 메모리 사용을 최소화할 수 있습니다.

2. 속도 

• 비트 연산은 CPU 레벨에서 실행되기 때문에 매우 빠릅니다.

3. 표현력

 

• 집합, 플래그, 상태 등을 비트마스크로 간단히 표현할 수 있습니다.

 

 

비트 마스킹(Bit Masking)의 한계

 

• 가독성: 코드가 복잡해지고 읽기 어려워질 수 있습니다.
• 확장성 부족: 비트 수가 제한적이므로 대규모 데이터를 표현할 때는 제한이 있습니다.