C语言位运算符的具体使用

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  • 布尔位运算符
  • 移位运算符

对于更多紧凑的数据,C 程序可以用独立的位或多个组合在一起的位来存储信息。文件访问许可就是一个常见的应用案例。位运算符允许对一个字节或更大的数据单位中独立的位做处理:可以清除、设定,或者倒置任何位或多个位。也可以将一个整数的位模式(bit pattern)向右或向左移动。

整数类型的位模式由一队按位置从右到左编号的位组成,位置编号从 0 开始,这是最低有效位(least significant bit)。例如,考虑字符值'*',它的 ASCII 编码为 42,相当于二进制的 101010:
位模式 0 0 1 0 1 0 1 0
位位置 7 6 5 4 3 2 1 0

在本例中,值 101010 被表示成一个 8 位的字节内容,因此前面多两个 0。

布尔位运算符

表 1 中列举的运算符可以对操作数的每个位进行布尔运算。这种二元运算符把两个不同操作数内相同位置的位关联起来。被设定的位(也就是值为 1 的位)被解释为 true,被清除的位(也就是值为 0 的位)被解释为 false。

除布尔运算符 AND、OR 和 NOT 以外,也有位异或运算符(exclusive-OR,XOR)。这些都在表 1 进行了列举。

运算符 意义 示例 对于每个位位置的结果(1=设定,0=清除)
    &     位 AND  x&y  如果 x 和 y 都为 1,则得到 1;如果 x 或 y 任何一个为 0,或都为0,则得到 0
    |     位 OR  x|y  如果 x 或 y 为 1,或都为 1,则得到 1;如果 x 和 y 都为 0,则得到 0
    ^     位 XOR  x^y  如果 x 或 y 的值不同,则得到 1;如果两个值相同,则得到 0
    ~     位 NOT(I的补码)  ~x  如果 x 为 0,则得到 1,如果 x 是 1,则得到 0

表1 布尔位运算符

位运算符的操作数必须是整数类型,并且遵循寻常算术转换(usualarithmetic conversion)。转换后获得的操作数通用类型就是整个计算结果的类型。表 2 展示了这些运算符的效果。

表达式(或声明) 位模式
int a=6; 0···00110
int b=11; 0···01011
a&b 0···00010
a|b 0···01111
a^b 0···01101
~a 1···11001

表2 位运算符的效果

可以将一个整数 a 的特定位清除,做法是将整数 a 和另一个整数进行位 AND 运算,其中,另一个整数在需要清除的位为 0,其他位则为 1,并位 AND 运算,其中,另一个整数在需要清除的位为 0,其他位则为 1,并将 AND 运算的结果赋值给整数 a。

该另一个整数,即位 AND 运算的第二个操作数,被设定为 1 的位置(称为位掩码),这些位置经过位 AND 运算,不会改变第一个操作数对应位置的值。例如,一个整数与一个位掩码 0xFF 进行位 AND 运算后,将保留最低位置的 8 个位,而会清除其他所有位的值:

a &= OxFF;            // 相当于:a = a & OxFF;

在该示例中,复合赋值运算符 &= 也会执行 & 运算。复合赋值运算符与其他二元位运算符具有类似的执行方式,这里不再赘述。

位运算符也可以用来生成位掩码,以供以后的位运算使用。例如,在位模式 0x20 中,只有位5被设定。因此表达式 ~0x20 会生成一个只有位 5 没有被设定的位掩码:

a &= ~0x20;             // 清除a中的位5

位掩码 ~0x20 比 0xFFFFFFDF 更受欢迎,因为它的可移植性更好:结果不会受到机器字大小的影响(同时也更方便人阅读)。

也可以使用运算符 |(OR)和 ^(XOR)来设定或清除特定位,下面是一个示例:

int mask = OxC;
a |= mask;              // 设定a的位2和位3
a ^= mask;              // 求反a的位2和位3

第二个转换使用相同的位掩码,它会将第一次转换的结果再反转一次。换句话说,b^mask^mask 会得到原来 b 的值。这个操作可以用于交换两个整数的值,而不需要使用第三个临时变量:

a ^= b;                  // 等效于 a = a ^ b;
b ^= a;                 // 将a原来的值赋值给b
a ^= b;                 // 将b原来的值赋值给a

本例中的前两个表达式等同于 b=b^(a^b)或 b=(a^b)^b。其结果等同于 b=a,副作用是 a 的值也被修改了,其修改后的值为 a^b。在这时,第三个表达式具有如下副作用 a=(a^b)^a 或 a=b(使用 a 和 b 的原始值)。

移位运算符

移位运算符将左操作数的位模式移动数个位置,至于移动几个位置,由右操作数指定。它们如表 3 列举。

运算符 意义 示例 结果
<< 向左移位 x<<y x 的每个位向左移动 y 个位
>> 向右移位 x>>y x 的每个位向右移动 y 个位

表3 移位运算符

移位运算符的操作数必须是整数。在实际移位操作之前,两个操作数都要进行整数提升(promotion)。右边操作数不可以为负值,并且必须少于左边操作数在整数提升之后的位长。如果不符合这些条件,程序运行结果将无法确定。

移位运算结果的类型等于左操作数在整数提升后的类型。下面示例的移位表达式具有 unsigned long 类型。

unsigned long n = 0xB,     // 位模式: 0 ... 0 0 0 1 0 1 1
         result = 0;
result = n << 2;          //              0 ... 0 1 0 1 1 0 0
result = n >> 2;          //              0 ... 0 0 0 0 0 1 0

在向左移位运算时,右边多出来的位用 0 来填充。移动超出左边边界的位则直接抛弃。向左移动 y 个位置,就等同于将左操作数乘以 2^{y}:如果左操作数 x 是无符号类型,那么表达式 x<<y 的结果等于表达式 x×2^{y} 的值。因此,在前面的例子,n<<2 的值为 n×4,也就是 44。

在向右位移运算时,如果左操作数是无符号类型,或者左操作数是带符号类型但为非负值,则左边多出来的位用 0 来填充。在这种情况下,表达式 x>>y 的结果等效于表达式 x/2^{y} 的值。如果左操作数是负值,那么由编译器决定用于填充至左边多出来的位的内容,可能是 0,也可能是符号位。

// 函数setBit()
// 设定掩码m中p位置的位。
// 使用定义在limits.h中的CHAR_BIT,存储一个字节内的位的数目。
// 返回值: 完成位设定的新掩码,其中p位置已设定好
//              如果p不是有效的位置,则返回原始掩码。
unsigned int setBit( unsigned int mask, unsigned int p )
{
  if ( p >= CHAR_BIT * sizeof(int) )
    return mask;
  else
    return mask | (1<<p);
}

移位运算符的优先级比算术运算符的优先级更低,但相对于比较运算符以及其他的位操作运算符,具有更高的优先级。上例表达式 mask|(1<<p)中的括号必要性不大,主要是让程序代码更容易阅读。

到此这篇关于C语言位运算符的具体使用的文章就介绍到这了,更多相关C语言位运算符内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们!

时间: 2021-09-06

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