在C语言编程中,数据的位是可以操作的最小数据单位,理论上可以用“位运算”来完成所有的运算和操作。一般的位操作是用来控制硬件的,或者做数据变换使用,但是,灵活的位操作可以有效地提高程序运行的效率。
1. C语言中的位操作符
因为C语言的设计目的是取代汇编语言,所以它必须支持汇编语言所具有的运算能力,所以C语言支持全部的位操作符(Bitwise Operators)。位操作是对字节或字中的位(bit)进行测试、置位或移位处理,在对微处理器的编程中,特别适合对寄存器、I/O端口进行操作。因而本节将对此作比较详细地介绍。
6种位操作符的形式与含义如下:
& :按位“与”(AND);
| :按位“或”(OR);
^ :按位“异或”(XOR);
~ :“取反” (NOT);
》 :数据右移;
《 :数据左移;
1) 按位“与”运算
按位“与”运算符 & 的作用是对运算符两侧以二进制表达的操作数按位分别进行“与”运算,而这一运算是以数中相同的位(bit)为单位的。操作的规则是:仅当两个操作数都为1时,输出的结果才为1,否则为0。
例如:
a = 0x88,b = 0x81,则a & b 的运算结果如下:
0x88 1000 1000 a数
& 0x81 1000 0001 b数
= 1000 0000
其中,& 运算符让a数0x88与B数0x81的1位与1位、2位与2位……7位与7位分别相“与”。由于“与”运算的操作规则是,两个操作数中各位只要有1个为0,其结果中对应的位就为0。而a数与b数中只有最高位(第7位)均为1,因而该位结果为1,其它各位结果都为0。
通常我们可把按位“与”操作 & 作为关闭某位(即将该位置0)的手段,例如我们想要关闭a数中的第3位,而又不影响其它位的现状,可以用一个数0xF7,即二进制数1111 0111去与a数作按位“与”运算:
0x88 1000 1000 a数
& 0xF7 1111 0111 屏蔽数
= 1000 0000
注意,这个数除第3位为0外,其它各位均为1,操作的结果只会将a数中的第3位置0,而a数的其它位不受影响。也就是说,若需要某个数的第n位关闭,只需要将该数与另一个数按位相与,另一个数除了相应的第n位为0外,其它各位都为1,以起到对其它各位的屏蔽作用。
上面的运算可以用a = a &(0xF7) 来表示,也可以用a & =(0xF7) 来表达。这两个表达式功能是相同的(见上节“复合赋值运算符”部分),但在源程序代码中常常见到的以第二种形式为多。
2) 按位“或”运算
按位“或” 运算符 | 的作用是对运算符两侧以二进制表达的操作数按位分别进行“或”运算,而这一运算是以数中相同的位(bit)为单位的。操作的规则是:仅当两个操作数都为0时,输出的结果才为0,否则为1。
例如:
a = 0x88,b = 0x81,则a | b 的运算结果如下:
0x88 1000 1000 a数
| 0x81 1000 0001 b数
= 1000 1001
通常我们可把按位“与”操作 & 作为置位(即将该位置1)的手段,例如我们想要将a数中的第0位和1位置1,而又不影响其它位的现状,可以用一个数0x03,即二进制数00000011去与a数作按位“或”运算:
0x88 1000 1000 a数
| 0x03 0000 0011 屏蔽数
= 1000 1011
注意,这个数除第0、1位为1外,其它各位均为0,操作的结果只会将a数中的第0、1位置0,而a数的其它位不受影响。也就是说,若需要某个数的第n位置1,只需要将该数与另一个数按位相“或”,另一个数除了相应的第n位为1外,其它各位都为0,以起到对其它各位的屏蔽作用。上面的运算可以用a = a | (0xF7) 来表示,也可以用a | =(0xF7) 来表达。
3) 按位“异或”运算
按位“异或”运算符 ^ 的作用是对运算符两侧以二进制表达的操作数按位分别进行“异或”运算,而这一运算是以数中相同的位(bit)为单位的。异或运算操作的规则是:仅当两个操作数不同时,相应的输出结果才为1,否则为0。
例如:
a = 0x88,b = 0x81,则a ^ b 的运算结果如下:
0x88 1000 1000 a数
^ 0x81 1000 0001 屏蔽数
= 0000 1001
按位“异或”运算 ^ 具有一些特殊的应用,介绍如下:
① 按位“异或”运算可以使特定的位取反
例如:我们想让a数中的最低位和最高位取反,只要用0x81,即二进制数10000001去与它作按位“异或”运算,其运算结果同上式。经过操作后,最高位的值已经由1变0,而最低位的值也已经由0变1,起到了使这两位翻转的效果。其它位的状态保持不变。
可以看到,这个数除最低位、最高位为1外,其它各位均为0,操作的结果只会将a数中的第0、7位取反,而a数的其它位不受影响。也就是说,若需要某个数的第n位取反,只需要将该数与另一个数按位相“异或”,另一个数除了相应的第n位为1外,其它各位都为0,以起到对其它各位的屏蔽作用。上面的运算可以用a = a ^ (0x81) 来表示,也可以用a ^ =(0x81) 来表达。
② 直接交换两个变量的值
例如,若有变量a = 3,b = 4,想要交换它们的值,可以做如下一组操作:
a ^ = b
b ^ = a
a ^ = b
首先,a ^ = b:
a 0000 0011
^ b 0000 0100
a = 0000 0111
其次,b ^ = a:
b 0000 0100
^ a 0000 0111
b = 0000 0011
最后,a ^ = b:
a 0000 0111
^ b 0000 0011
a = 0000 0100
这样,a、b两个变量中的值就进行了对调。
4)“取反”运算
“取反”运算符 ~ 的作用是将各位数字取反:所有的0置为1,1置为0。例如:
1001 0110 取反后为0110 1001。
5) 数据右移
数据右移操作符 》 将变量的各位按要求向右移动若干位。右移语句的通常形式是:
variable 》右移位数
如:a = 1111 0000;进行 a = a 》 2 操作后,a = 0011 1100。
6) 数据左移
数据左移操作符 《 将变量的各位按要求向左移动若干位。左移语句的通常形式是:
variable 《 左移位数
如:a = 1111 0000;进行 a = a 《 2 操作后,a =1100 0000。
无论是左移还是右移,当某位从一端移出时,另一端出现的空白将以从外面移入的0(某些计算机是送1,详细内容请查阅相应C编译程序用户手册)来补充。这说明,移位不同于循环,从一端移出的位并不送回到另一端去,移去的位永远丢失了,同时在另一端只能补上相应位数的0。
移位操作可用于整数的快速乘除运算,左移一位等效于乘2,而右移一位等效于除以2。
如:x = 7, 二进制表达为:0000 0111,
x 《 1 0000 1110,相当于: x =2*7=14,
x 《 3 0111 0000,相当于: x=14*2*2*2=112
x 《 2 1100 0000, x= 192
在作第三次左移时,其中一位为1的位移到外面去了,而左边只能以0补齐,因而便不等于112*2*2=448,而是等于192了。当x按刚才的步骤反向移动回去时,就不能返回到原来的值了,因为左边丢掉的一个1,再也不能找回来了:
x 》 2 0011 0000, x=48
x 》 3 0000 0110 x=48/8=6
x 》 1 0000 0011 x=6/2=3
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