C的位运算符系统梳理

冷不防 2022-06-05 07:53 157阅读 0赞

**概述**  
C语言的位运算符十分常用也十分好用。使C区别于其他高级语言的的特性之一是访问整数中的个别位的能力。它十分接近底层硬件，这个特性通常是程序与硬件设备和操作系统相连接的关键！  
下面我就系统的梳理下C语言中关于位运算符的使用和功能，希望大家也能从中感受的C的魅力！  
***\*一、基本运算符的使用***（~、&、|、^）\*  
这里主要是按位取反、按位与、按位或、按位异或的使用，它们基本的运算方式简要说一下，从名字也能看出来，他们是对一位进行运算（int是32位即4个字节组成），而每位只有两个可能取值0或1。  
~（按位取反）：0变1，1变0；  
&（按位与）：全都是1的时候结果才是1，否则是0；  
|（按位或）：只要有一个是1结果即为1，否则是0；  
^（按位异或）：相异为1（就是只有1和0这种搭配结果才是1），相同为0；  
其实上面就是逻辑代数的基础概念，十分实用的一些运算。下面的代码展示了这些运算符对int的位操作，相信结合注释，并没有什么障碍！

/*
    *C语言中通过位操作符，对二进制各位操作
    */
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
        //基本位操作符使用
        /*
        *char在内存中占1 byte（即8位）所以下面的计算过程为：
        *按位取反,即0变成1,1变成0
        *~(10011010)                           //表达式 154
        * (01100101)                            //结果值 101
        */
        unsigned char val = 154;
        unsigned char anti_val = ~(val);       //val的值并不改变
        printf("%d", anti_val);                 //十进制输出
        printf("\n");
    
        /*
        *按位与，对于每个位中只有两个数都为1结果才是1
        *(10010011) & (00111101)                //表达式 147 & 61
        *(00010001)                             //结果值 17
        */
        unsigned char val_2 = 147, val_3 = 61;
        unsigned char and_val = val_2 & val_3;
        printf("%d", and_val);
        printf("\n");
    
        /*
        *按位或，对于每个位有一个为1即是1
        *(10010011) | (00111101)                //表达式
        *(10111111)                             //结果值 191
        */
        unsigned char val_4 = 147, val_5 = 61;
        unsigned char or_val = val_4 | val_5;
        printf("%d", or_val);
        printf("\n");
    
        /*
        *位异或，对于每个位，相同为0，相异为1
        *(10010011) ^ (00111101)                //表达式
        *(10101110)                             //结果值 174
        */
        unsigned char val_6 = 147, val_7 = 61;
        unsigned char exc_val = val_6 ^ val_7;
        printf("%d", exc_val);
        printf("\n");
    
        /*
        * & | ^ 存在操作符-赋值表示(类似于+= -= ...)
        *如 &= |= ^=,不存在~=
        */
    
        system("pause");
        return 0;
    }

**二、位运算符的基本功能总结**  
通过上述几个运算符可以实现一些有趣的功能，这里涉及到几个概念，首先应该阐明一下。  
**掩码**：就是一个一个“遮掩膜”的功能。一串数字，通过与掩码做&运算可以把不想要的位“隐藏掉”，想要的位“保留”下来。下面看剖析图：  
![这里写图片描述][SouthEast]  
其根本上还是利用了&的运算性质！  
**打开位**：这是比较形象的说法，可以这样理解，把每位重点的两个状态看成开关，像可以让1表示开状态，0表示关状态（反过来的话属于‘逆逻辑’）。这里就是把指定的位打开（置1）。  
**关闭位**：这当然就时把指定的位置0.  
**转置位**：这个从名字也可以看出来，就是原来是0现在就变1，原来是1现在就变0.也许你立刻想到了前面的一个运算符，没错！就是按位取反（~），不过你只才对了一般，他的功能的确类似，但是~是对整个数据进行操作，如果想把指定的一位转置呢？看代码吧！  
**查看一位的值**就是看看指定的位，是0还是1.这个功能挺实用的，想象要把一个十进制转换成二进制的表示形式，他是不是就派上用场了！  
结合上面的简明阐述，下面的代码应该没有障碍：

/*
    *各个位操作符的基本用法及功能
    *如，掩码、打开位、关闭位、置换位等
    */
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    #define MASK 2
    
    int main()
    {
        /*
        *掩码示例
        *表达式为 10010110 & MASK(00000010)
        *结果值为 00000010(即为十进制2)
        */
        unsigned char val = 150;
        unsigned char after_mask = 0;
        after_mask = val & MASK;
        printf("%d", after_mask);
        printf("\n");
    
        /*
        *掩码的常用方式
        *使用0xFF掩码只留下被掩盖值得最后8位，将其余设为0
        *无论最初的value是8位16位或者更多，最终的值都修正到一个字节中
        */
        int val_2 = 514;                    //514的二进制形式为0…,00000001,00000010
        unsigned char mask = 0xFF;          //0xFF是二进制11111111的十六进制表示形式
        int after_mask_2 = val_2 & mask;    //掩码使用
        printf("%d", after_mask_2);         //输出结果是2(即是0…0，00000010)
        printf("\n");
    
        /*
        *‘打开位’示例
        *表达式为 10010100 | open_bit(00000010)
        *结果值为 10010110
        */
        int val_3 = 148;
        unsigned char open_bit = 2;
        int after_open_bit = val_3 | open_bit;  //将右数第二位打开,相当于原数加2
        printf("%d", after_open_bit);           //输出结果为150 = 148 + 2
        printf("\n");
    
        /*
        *‘关闭位’示例
        *表达式为 10010110 & close_bit(11111101)
        *结果值为 10010100
        */
        int val_4 = 150;
        unsigned char close_bit = ~open_bit;   //open_bit按位取反即可达到目的
        int after_close_bit = val_4 & close_bit;//将右数第二位关闭，相当于原数减2
        printf("%d", after_close_bit);          //输出结果为148 = 150 - 2
        printf("\n");
    
        /*
        *‘转置位’示例
        *表达式为 10010110 ^ tran_bit(00000010)
        *结果值 10010100
        */
        int val_5 = 150;
        unsigned char tran_bit = 2;
        int after_tran_bit = val_5 ^ tran_bit;//将右数第二位转置（0变1，1变0），这里相当于原数减2
        printf("%d", after_tran_bit);         //输出结果为148 = 150 - 2
        printf("\n");
    
        /*
        *‘查看一位的值’示例 
        *实现查看val_6右数第二位的值的功能
        */
        mask = 2;
        unsigned char val_6 = 150;              //val_6的二进制表示为10010110
        unsigned char each_bit = val_6 & mask;  //屏蔽val_6的其他位
        if (each_bit == mask) {                 //查看并输出结果
            printf("val_6右数第二位是1");     
        }
        else {
            printf("val_6右数第二位非1");
        }
        printf("\n");
    
        system("pause");
        return 0;
    }

**三、强大的左移<<与右移>>运算符**  
这两个运算符真的很神奇！他们竟然可以到一个整数的内部来具体选中某一个位。这也是C最迷人的地方，是如此的接近底层。但是有一个应该注意的地方：<<向左移动的位数由其右操作数指定，空出的位用0填充，并且丢弃移出左侧操作数末端的位；>>对于unsigned数与<<的处理过程完全一致，***但是在针对signed数填充的值却依赖于具体的机器！这表面运用这个操作符的代码很难移植！应该牢记这一点！***  
下面结合代码的注释看看他们对数据的基本操作方式：

/*
    *通过左移<<与右移>>运算符实现对数据的位操作
    */
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
        //左移运算符使用举例
        unsigned char val_1 = 138;          //其二进制表示形式为 10001010
        unsigned char after_left_move;
        after_left_move = val_1 << 2;       //左移两位，丢弃末端为，空位用0填充
        printf("%d", after_left_move);      //输出结果是40，二进制表达形式为 00101000
        printf("\n");
    
        //使用运算符-赋值格式,会改变val_1的值s
        val_1 <<= 2;
        printf("%d", val_1);
        printf("\n");
    
        //右移运算符的使用举例
        unsigned char val_3 = 138;          //无符号数，二进制表达形式 10001010
        unsigned char after_right_move;
        after_right_move = val_3 >> 2;      //右移两位，丢弃末端位，填充值0
        printf("%d", after_right_move);     //输出为34，二进制表达形式为 00100010
        printf("\n");
    
        signed char val_4 = 138;            //...
        val_4 >>= 2;
        printf("%d", val_4);                //末端位丢弃，填充值依赖于操作系统
        printf("\n");                       //我的机器上此处输出结果是-30，也就是补1
    
        system("pause");
        return 0;
    }

**四、<<与>>运算符的基本功能**  
主要介绍3个使用的功能：  
(1)提供快捷、高效的2次幂的乘法和除法。具体规则看下表：（注意非负）  
![这里写图片描述][SouthEast 1]  
(2)从较大单位中提取多组比特位（如：RGB颜色编码中不同颜色分量的提取）  
(3)实现十进制转换成二进制表示  
下面的代码中，每个功能通过函数实现出来，并不难懂：

/*
    *移位运算符的功能介绍,主要包括下面3部分
    *(1)对2的幂快速乘除法
    *(2)在较大单位中提取多组bit位
    *(3)实现十进制转换成二进制表示
    */
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #define MASK 0xFF                                   //仅保留8位的掩码
    #define MASK_LAST 1                                 //仅保留末位的掩码
    
    //函数声明
    int MultiByBitMove(int power, int value);           //使用移位运算实现快速乘法
    int DivisByBitMove(int power,unsigned int value);   //使用移位运算实现快速除法
    int PickUpBit(int value, int cnt);                  //从数据value中提取cnt开始的8位
    void TransToBinary(int value, int *str);            //十进制转二进制表示
    void DisplayByBinary(int *str);                     //输出二进制字符串
    
    int main()
    {
        int val_1 = 100, val_2 = 512, val_3 = 512;
        int binary[sizeof(int) * 8];
        printf("%d\n", MultiByBitMove(2, val_1));       //输出400 = 100 * 2^2
        printf("%d\n", DivisByBitMove(2, val_1));       //输出25 = 100 、 2^2
    
        printf("%d", PickUpBit(val_2, 9));              //从右树第8位开始向左提取8位
        printf("\n");                                   //512装换成二进制后，对应输出结果是1，也就是…00000001
    
        TransToBinary(val_3, binary);
        DisplayByBinary(binary);
        printf("\n");
    
        system("pause");
        return 0;
    }
    
    //函数定义
    int MultiByBitMove(int power, int value) {
        //左移位数就是数据乘的2的幂数
        return (value <<= power);
    }
    
    int DivisByBitMove(int power, unsigned int value) {
        //右移位数就是数据除的2的幂数
        return (value >>= power);
    }
    
    int PickUpBit(int value, int cnt) {
        //通过掩码及移位运算符提取数据中的bits
        return (value >> cnt) & MASK;
    }
    
    void TransToBinary(int value, int *str) {
        //通过掩码及右移运算符将十进制保存为二进制字符串
        for (int i = 0; i < sizeof(int) * 8; i ++) {
            str[i] = (value >> i) & MASK_LAST;
        }
    }
    
    void DisplayByBinary(int *str) {
        //每8 bits分割输出二进制字符串
        for (int i = sizeof(int) * 8 - 1; i >= 0; i--) {
            if (0 == (i + 1) % 8 && (i + 1) != sizeof(int)* 8) {
                printf(",");
            }
            printf("%d", str[i]);
        }
    }

对位操作的核心概念大概就这些，有时候用位操作可以实现各种功能和算法，并且可以实现对一些硬件的直接控制（如单片机等）。总之非常值得花时间学习和使用。也希望通过文章大家对C的位操作符内容有一个更清晰的认识！

[SouthEast]: /images/20220605/c7295475fa8a4eb280b49686312eda5e.png
[SouthEast 1]: /images/20220605/c791e535c2aa49f5b9cb8b74b074a4e4.png