深入理解C++移位运算符

关于逻辑移位、算术移位可参见迅雷深大笔试题部分。的一道题。

以前看到C++标准上说,移位运算符(<<、>>)出界时的行为并不确定:

The behavior is undefined if the right operand is negative, orgreater than or equal to the length in bits of the promoted left operand.

我当时也没有深究过这个问题。前几天有个网友来信问起这件事,我才发现,这和IntelCPU的移位运算有关。下面是那位网友的来信以及我的回复:

您好!运算符<<作为位操作中的高效的操作,但我遇到一个问题:下面在VC环境下发现一个很不明白的地方,下面标注。

#include <stdio.h>

void main()

{

  unsigned int i,j;

  i=35;

  //为什么下面两个左移操作结果不一样?

  j=1<<i; // j为8

  j=1<<35; // j为0

}

不知是哪里没有理解对。

原因是这样的:i=35;j=1<<i;这两句在VC没有做优化的情况下,将被编译成下面的机器指令:

mov dword ptr [i],23h

mov eax,1

mov ecx,dword ptr [i]

shl eax,cl

mov dword ptr [j],eax

在shl一句中,eax=1,cl=35。而IntelCPU执行shl指令时,会先将cl与31进行and操作,以限制左移的次数小于等于31。因为35 & 31 =3,所以这样的指令相当于将1左移3位,结果是8。

而j=1<<35;一句是常数运算,VC即使不做优化,编译器也会直接计算1<<35的结果。VC编译器发现35大于31时,就会直接将结果设置为0。这行代码编译产生的机器指令是:

mov dword ptr [j],0

对上面这两种情况,如果把VC编译器的优化开关打开(比如编译成Release版本),编译器都会直接将结果设置为0。

所以,在C/C++语言中,移位操作不要超过界限,否则,结果是不可预期的。

http://hovertree.com/menu/cpp/

下面是Intel文档中关于shl指令限制移位次数的说明:

The destination operand can be a register or a memory location.The count operand can be an immediate value or register CL. The count is maskedto 5 bits, which limits the count range to 0 to 31. A special opcode encodingis provided for a count of 1.

1.掩码

就是一串2进制 对目标字段进行位与运算,屏蔽当前的输入位。

将源码与掩码经过逻辑运算得出新的操作数。其中要用到逻辑运算如OR运算。AND运算。用于如将ASCLL码中大写字母改作小写字母。

2.与 或 异或 转换成补码运算

3.  用法:掩码 (&)

4. 用法:打开位 (|)

5.用法:关闭位 (&~)

6. 用法:转置位 (^)

7. 将Value的第bit_number位置1       Value |= 1 << bit_number;

8. 将Value的第bit_number位置0       Value &= ~( 1 << bit_number );

9.value & 1 << bit_number 如果该位置已被置为1,则表达式的结果为非零值

C/C ++提供位逻辑运算符和移位运算符。二者只能用于整形和字符型。位运算符是对每位进行操作而不影响左右两位,这有别于常规运算符(&&|| !)是将整个数进行操作的。

一.    位逻辑运算符

1.    ~ 按位取反

将1变为0,将0变为1

EG:

~(10011010)

(01100101)

注:

VC++编译器,计算~10,得出的结果是-11。为什么不是5呢

10的二进制表示为1010,按位取反应该为0101,也就是十进制的5,为什么会得出-11?

VC是32位编译器,所以

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

~10 = 11111111 11111111   11111111   11110101 =   -11

可以通过掩码(位与) 与15位与

15 = 00000000 00000000 00000000   00001111

~10 = 00000000 00000000 00000000   00000101   =   -11

2.    & 按位取与

只有两个操作数都是1结果才是1,否则为0

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

12 = 00000000 00000000 00000000   00001100

&

8 = 00000000 00000000 00000000   00001000

3.    | 按位取或

两个操作数任意一位为1结果就是1

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

12 = 00000000 00000000 00000000   00001100

|

14 = 00000000 00000000 00000000   00001110

4.    ^ 按位异或

两个操作数不同为1,相同为0

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

12 = 00000000 00000000 00000000   00001100

^

14 = 00000000 00000000 00000000   00000110

5.    用法:掩码

掩码是通过&(位与)将某些位设置为开(1),将某些位设置为关(0)。将掩码0看做不透明,将1看着透明。

EG:

如只显示第二、三位

107 = 0110 1011

6            = 0000 0110

&

2   = 0000 0010

6.    用法:打开位

打开位是通过 |(位或)打开一个值的特定位,同时保持其他位的不变。这是因为和0位或都为0,和1位或都为1。

EG:

如只打开第二、三位

107 = 0110 1011

6   = 0000 0110

|

111 = 0110 1111

7.    用法:关闭位

关闭某些位

EG:

如关闭第二、三位

107 = 0110 1011

6    = 0000 0110

& ~

105 = 0110 1001

8.    用法:转置位

如果一位为1则转置为0,如果一位为1则转置为0

EG:

如转置第二、三位

107 = 0110 1011

6    = 0000 0110

^

105 = 0110 1101

二.    移位运算符

  1. << 左移

左移运算符是把操作数的值的每一位向左移动,移动的位数有右边的操作数决定,右侧空出的位数用0填充

EG:

如转置第二、三位

107 = 0110 1011 <<2

<<

172 = 1010 1100

在计算机中由于是32位的

107 = 0000 0000   0000 0000   0000 0000   0110 1011 <<2

<<

428 = 0000 0000   0000 0000   0000 0001   1010 1100

  1. >> 右移

右移运算符是把操作数的值的每一位向右移动,移动的位数有右边的操作数决定,左边丢弃的位数用0填充

EG:

如转置第二、三位

107 = 0110 1011 >>2

>>

26 = 0001 1010

一、传统的C方式位操作:

1.基本操作:

使用一个unsigned int变量来作为位容器。

2.操作符:

|   按位或操作符:result=exp1|exp2;当exp1和exp2中对应位中至少有一个为1时,result中对应位为1,否则为0。

&  按位与操作符::result=exp1&exp2;当exp1和exp2中对应位全为1时,result中对应位为1,否则为0。

^  按位异或或操作符:result=exp1^exp2;当exp1和exp2中对应位不相同时,result中对应位为1,否则为0。

~  反转操作符:将位容器中的所有位都反转,1变为0,0变为1。

<< 按位左移操作符:exp<<n,将容器中所有的位向左移n位,空出的位用0填充。

>> 按位右移操作符:exp>>n,将容器中所有的位向右移n位,空出的位用0填充。

|=,&=,^= 分别对应|&^三种操作符的复合操作符。

3.常用操作

这里我们假设有一个result的unsigned int变量用来储存32个学生的成绩(通过和不通过分别用0和1),这样result就有33位(result从右至左,从0开始计算位数,在这个例子中0位被浪费)。

(a) 将第27位设置为及格(设作1)其他位不变:

result|=(1<<27) //任意的位值与1作按位或操作其值为1,而与0作按位与操作其值不变

(b) 将第27位设置成不及格(设为0)。

result&=~(1<<27) //任意的位值与0作按位与操作其值为0,而与1作按位与操作其值不变

(c) 反转第27位的值。

result^=(1<<27) //任意的位值与1作按位异或操作其值为1,而与0作按位异与操作其值不变

二、C++中的bitset容器

1.头文件:

#include <bitset>

2.声明一个容器:

(a)声明一个指定位数的空容器(所有位设为0): bitset<int> bits;

(b)声明一个指定位数并将指定的几个位初始化为相应值的容器: bitset<n> bits(int);

bitdet<int> bits(string&)

总结:bitset模板类中类型参数传递容器的位数,而构造函数参数通过一个int或一个string&值来从右至左初始化容器中的相应值。

3.bitset的基本用法:


操作


功能


用法


test(pos)


pos位是否为1?


a.test(4)


any()


任意位是否为1?


a.any()


none()


是否没有位为1?


a.none()


count()


值是1的位的小数


count()


size()


位元素的个数


size()


[pos]


访问pos位


a[4]


flip()


翻转所有位


a.flip()


flip(pos)


翻转pos位


a.flip(4)


set()


将所有位置1


a.set()


set(pos)


将pos位置1


a.set(4)


reset()


将所有位置0


a.reset()


reset(pos)


将pos位置0


a.reset(4)

4.bitset与传统C位操作及字符串的转换

可以通过to_string()成员将容器转输出为一个string字符串,另外还可以用to_long()成员将容器输出到传统的用于C风格的位容器中。如:

unsigned long bits = bits.to_long();

sting str(bits.to_string());

以上这篇深入理解C++移位运算符就是小编分享给大家的全部内容了,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持我们。

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