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（9）位运算

news 2024/11/1 20:47:45

1. 位运算的概念

位运算操作的是整数在内存中的二进制位。C 语言提供了以下几种位运算操作符：

按位与（&）

运算规则：将两个操作数对应的二进制位进行与运算。只有当两个对应位都为 1 时，结果位才为 1，否则为 0。
示例代码：

#include <stdio.h>int main() {int num1 = 5;  // 二进制表示为 0101int num2 = 3;  // 二进制表示为 0011int result = num1 & num2;  // 0101 & 0011 = 0001printf("5 & 3 的结果: %d\n", result);return 0;
}

按位或（|）

运算规则：将两个操作数对应的二进制位进行或运算。只要两个对应位中有一个为 1，结果位就为 1。
示例代码：

#include <stdio.h>int main() {int num1 = 5;  // 二进制表示为 0101int num2 = 3;  // 二进制表示为 0011int result = num1 | num2;  // 0101 | 0011 = 0111printf("5 | 3 的结果: %d\n", result);return 0;
}

按位异或（^）

运算规则：将两个操作数对应的二进制位进行异或运算。当两个对应位不同时，结果位为 1；相同时，结果位为 0。
示例代码：

#include <stdio.h>int main() {int num1 = 5;  // 二进制表示为 0101int num2 = 3;  // 二进制表示为 0011int result = num1 ^ num2;  // 0101 ^ 0011 = 0110printf("5 ^ 3 的结果: %d\n", result);return 0;
}

取反（~）

运算规则：对操作数的每一位进行取反操作，0 变为 1，1 变为 0。需要注意的是，取反操作符是单目运算符，它对一个操作数进行操作。
示例代码：

#include <stdio.h>int main() {int num = 5;  // 二进制表示为 00000101int result = ~num;  // 取反后为 11111010（在有符号整数表示中，这是 -6 的补码形式）printf("~5 的结果: %d\n", result);return 0;
}

左移（<<）

运算规则：将操作数的所有二进制位向左移动指定的位数，右边空出的位用 0 填充。左移一位相当于乘以 2。
示例代码：

#include <stdio.h>int main() {int num = 5;  // 二进制表示为 00000101int result = num << 2;  // 左移 2 位后为 00010100，即 20printf("5 << 2 的结果: %d\n", result);return 0;
}

右移（>>）

运算规则：将操作数的所有二进制位向右移动指定的位数。对于无符号数，左边空出的位用 0 填充；对于有符号数，如果是算术右移（大多数编译器的实现方式），左边空出的位用符号位填充。右移一位相当于除以 2（对于无符号数和正数）。
示例代码：

#include <stdio.h>int main() {int num = 12;  // 二进制表示为 00001100int result = num >> 2;  // 右移 2 位后为 00000011，即 3printf("12 >> 2 的结果: %d\n", result);return 0;
}

2. 位段的概念

位段（bit - field）是一种特殊的结构体成员，它允许以位为单位指定结构体成员所占的存储空间大小。通过位段，可以更紧凑地存储数据，尤其是在处理一些硬件相关的数据或者需要节省内存空间的情况下。

以下是位段的示例：

#include <stdio.h>// 定义一个包含位段的结构体
struct BitFieldExample {unsigned int field1 : 3;  // 位段 field1 占 3 位unsigned int field2 : 5;  // 位段 field2 占 5 位unsigned int field3 : 4;  // 位段 field3 占 4 位
};int main() {struct BitFieldExample example;example.field1 = 3;  // 二进制为 011，存储在低 3 位example.field2 = 7;  // 二进制为 00111，存储在接下来的 5 位example.field3 = 9;  // 二进制为 1001，存储在再接下来的 4 位// 注意：位段的存储顺序和字节顺序（大端序或小端序）有关，这里假设为小端序// 结构体总共占 2 个字节（3 + 5 + 4 = 12 位，向上取整到字节）unsigned short int *ptr = (unsigned short int *)&example;printf("存储的值（十六进制）: 0x%x\n", *ptr);return 0;
}

在这个示例中，struct BitFieldExample结构体中的成员field1、field2和field3都是位段。它们在内存中是紧凑存储的，总共占用不超过一个整数的空间（这里假设为 2 个字节，因为总共 12 位）。

3. 在程序中应用位运算

设置和清除特定的位

设置某一位为 1（使用按位或）：
假设要将一个整数num的第n位（从右往左数，最低位为第 0 位）设置为 1。可以使用以下代码：

#include <stdio.h>int main() {int num = 10;  // 二进制为 1010int n = 1;     // 设置第 1 位num = num | (1 << n);  // 将第 1 位设置为 1，结果为 1010 | 0010 = 1010printf("设置第 %d 位后的结果: %d\n", n, num);return 0;
}

清除某一位为 0（使用按位与和取反）：
要将一个整数num的第n位清除为 0，可以使用以下代码：

#include <stdio.h>int main() {int num = 10;  // 二进制为 1010int n = 2;     // 清除第 2 位num = num & ~(1 << n);  // 将第 2 位清除为 0，结果为 1010 & 1011 = 1000printf("清除第 %d 位后的结果: %d\n", n, num);return 0;
}

检查特定的位是否为 1（使用按位与）

#include <stdio.h>int main() {int num = 10;  // 二进制为 1010int n = 1;     // 检查第 1 位if (num & (1 << n)) {printf("第 %d 位是 1\n", n);} else {printf("第 %d 位是 0\n", n);}return 0;
}

位运算在枚举中的应用（使用位掩码）

可以使用位运算来实现枚举类型中的多个标志位。例如：

#include <stdio.h>// 定义枚举类型，每个枚举值对应一个位掩码
enum Options {OPTION_A = 1 << 0,  // 0001OPTION_B = 1 << 1,  // 0010OPTION_C = 1 << 2   // 0100
};int main() {int options = OPTION_A | OPTION_C;  // 设置选项 A 和 C，二进制为 0101if (options & OPTION_A) {printf("选项 A 被选中\n");}if (options & OPTION_B) {printf("选项 B 被选中\n");}if (options & OPTION_C) {printf("选项 C 被选中\n");}return 0;
}