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C/C++ 位操作详解

C语言与CPP编程

共 420字，需浏览 1分钟

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2021-01-11 19:00

来源：https://www.cnblogs.com/intelwisd/p/8424824.html

【导读】：本文详细讲解C/C++位操作的原理与实际应用,非常值得学习。

位操作（Bit Operation）


位操作与逻辑操作


位操作不同于逻辑操作，逻辑操作是一种整体的操作，而位操作是针对内部数据位补码的操作。逻辑操作的世界里只有真假（零与非零），而位操作的世界里按位论真假（1和0）。运算也不相同。


数据的二进制形式表示

8位二进制数据的补码


eg:打印一个32位数据的二进制

void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);}
int main() {    int a = 0xffffffff;//-1内存中的形式    dis32bin(a);
    return 0;}

按位&（与）


同1为1，否则为0。

非1跟1按位与保持不变，1跟1按位与为1，跟0按位与清零。

性质：用1&，在某些位保持不变的情况下，某些清零。

void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);}
int main() {    //int a = 0xffffffff;//-1内存中的形式    int a = 3;    int b = 11;    dis32bin(a);    dis32bin(b);    printf("\n------------------------------\n");    dis32bin(a&b);    int c = a&b;    printf("c = %d\n",c);
    return 0;}
/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00110000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-1011
---------------------------------------0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0011c = 3*/
按位或|(或)


只有两个都为0时才为0，其余为1.

跟1按位或置1，非0跟0或保持不变，0跟0或为0.

性质：用0|,在某些位保持不变的情况下，某些置1.

void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);}int main() {    int a = 3;    int b = 9;    dis32bin(a);    dis32bin(b);    printf("\n-----------------------------------------\n");    dis32bin(a|b);    int c = a|b;    printf("a|b = %d\n",c);}
/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00110000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-1001
-----------------------------------------0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-1011a|b = 11*/

位取反（~）


个各位反转，1->0,0->1

按位取反，用于间接的构造某些数据。

void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);}int main(){    int a = 0x55;    dis32bin(a);    dis32bin(~a);//a本身并未发生变化
    dis32bin(0);    dis32bin(~0);
    return 0;}
/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-01011111-1111 1111-1111 1111-1111 1010-10100000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00001111-1111 1111-1111 1111-1111 1111-1111*/

位异或(^)(相异者或)


相异者1，相同者0

跟1按位异或取反，跟0按位异或保持不变。

性质：用1^,某些位保持不变的情况下，某些取反

void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);}int main() {    int a = 0x55;    int b = 0xff;    dis32bin(a);    dis32bin(b);        dis32bin(a^b);    printf("\n=============================\n");    int c = 0;    dis32bin(a);    dis32bin(c);    dis32bin(a^c);    printf("\n=============================\n");    int d = 0x0f;    dis32bin(a);    dis32bin(d);    dis32bin(a^d);
    return 0;
}
/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-01010000-0000 0000-0000 0000-0000 1111-11110000-0000 0000-0000 0000-0000 1010-1010
=============================0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-01010000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00000000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-0101
=============================0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-01010000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-11110000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-1010*/

左移(<<)和右移(>>)


规则：使操作数的各位左移，低位补0，高位溢出。


移位大于32位时,对32求模运算.

左移不溢出的情况下：数字左移相当于乘以2^几次幂

void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);}int main(){    int a = 0x01;    dis32bin(a);    dis32bin(a<<1);    dis32bin( (a<<31)+1 << 1);/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00010000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00100000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0010*/
    dis32bin(a<<32);    dis32bin(a<<33);    dis32bin(a<<34);    printf("a<<33 = %d\n",a<<32);    printf("a<<33 = %d\n",a<<33);    printf("a<<34 = %d\n",a<<34);/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00010000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00100000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0100a<<33 = 1a<<33 = 2a<<34 = 4*/        return 0;}

右移(>>)


规则：使操作数的各位右移，移除低位舍弃。


高位：


1.对无符号数和有符号中的整数补0；


2.有符号数中的负数，取决于所使用的系统；补0的称为逻辑右移，补1的称为算数右移
在不溢出的情况下，数字左移相当于除以2^几次幂


同样大于32时对32求模运算。

void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);} int main(){//第一种情况：无符号数和有符号整数，高位补0，低位舍弃    unsigned int a = 0x55;    dis32bin(a);    dis32bin(a>>4);    int b = 1;    dis32bin(b);    dis32bin(b>>1);printf("\n===========================\n");//第二种情况：有符号中的负数：高位补0逻辑右移，高位补1，算数右移。    int c = 0x800000f0;    dis32bin(c);    dis32bin(c>>1);    dis32bin(c>>2);    dis32bin(c>>3);
    return 0;}
/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-01010000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-01010000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-00010000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0000
=======================================1000-0000 0000-0000 0000-0000 1111-00001100-0000 0000-0000 0000-0000 0111-10001110-0000 0000-0000 0000-0000 0011-11001111-0000 0000-0000 0000-0000 0001-1110*/

应用


掩码


用一个状态模拟8盏灯的状态操作。


0x55 = 0101 0101，1开 0关

需求在此基础上打开从右至左第四盏灯

void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);}
int main(){    //0101 0101，    int ch = 0x55;    int mask = 1<<3;//从本身位置开始移动    dis32bin(ch);    ch = ch | mask;    dis32bin(ch);    /*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-01010000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-1101        */    return 0;}

需求2:将从左至右第五位关闭

int main(){// 0101 0101// 1110 1111  求&运算即可//~0001 0000    int ch = 0x55;    int mask = ~(1<<4);    dis32bin(ch);    dis32bin(mask);    ch = ch & mask;    dis32bin(ch);
    return 0;}
/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-01011111-1111 1111-1111 1111-1111 1110-11110000-0000 0000-0000 0000-0000 0100-0101
*/

需求3：从左至右将第三位，第五位关闭


分析：

原有状态：0101 0101

假设状态：1110 1011

假设取反：0001 0100

只需完成假设取反的状态和原有状态取反即可

1左移4位：0001 0000

1左移2位：0000 0100

<=> (1<<4) | (1<<2)

int main(){    int ch = 0x55;    int mask = ~ ( (1<<4) | (1<<3) );    //ch = ch & mask;    ch &= mask;    dis32bin(ch);
    return 0;
    //0000-0000 0000-0000 0000-0000 0100-0001}

需求4：从左至右第三位到第六位反转


分析：


原有状态：0101 0101 ^异或运算

假设状态：0011 1100

目标状态：0110 1001


假设状态：0010 0000

假设状态：0001 0000

假设状态：0000 1000

假设状态：0000 0100


最终状态：0011 1100

int main(){    int ch = 0x55;    int mask = (1<<5)|(1<<4)|(1<<3)|(1<<2);    dis32bin(ch);    ch ^= mask;    dis32bin(mask);    dis32bin(ch);    return 0;/*0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-01010000-0000 0000-0000 0000-0000 0011-11000000-0000 0000-0000 0000-0000 0110-1001*/}

查看某一位的状态


需求从左至右第五位的状态


分析：

原有状态：0101 0101

假设状态：0001 0000 求 & =1

int main(){    int ch = 0x55;    int mask = 1<<4;    if(ch&mask)        printf("此位为1\n");    else        printf("此位为0\n");
    return 0;    //此位为1}

位操作的总结


1.你要操作的那几位


2.找到合适的掩码



3.找到合适的位运算

test:


从键盘输入一个整数，输出3-6位构成的数（从低位0号开始编号）

//先进行掩码的设置操作，之后在位移int main(){       //0101 0101    int a = 0x55;    int mask = a<<3|a<<4|a<<5|a<<6;    a &= mask;    a >>= 3;    printf("a = %d\n",a);}
//先位移，在进行掩码的设置操作int main(){    int a = 0x55;    a >>= 3;    int mask = 0x0f;    a &= mask;    printf("a = %d\n",a);
    return 0;}

优先级

() > 成员运算 > (!) 算术 > 关系 > 逻辑 > 赋值>() > 成员运算 > (~!) 算术 > 关系 > (>> <<) 位逻辑(& | ^) 逻辑 > 赋值>

循环移位

#includevoid dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<            printf("1");        else            printf("0");        if(i%4 == 0)        {            if(i%8 == 0)                printf(" ");            else                printf("-");        }    }    putchar(10);}
//用无符号的类型，避免了右移补1的问题void circleMove(unsigned int *pa,int n){    n %= 32;    if(n>0)//左移        *pa = (*pa<>(sizeof(*pa)*8-n));    else//右移逻辑        *pa = (*pa>>(-n)) | (*pa<<(sizeof(*pa)*8-(-n)));} int main(){    int a = 0x80000001;//1000***0001
    circleMove(&a,1);    dis32bin(a);
    return 0;}

无参交换

int mySwap(int *pa,int *pb){//引入第三者    int t = *pa;    *pa = *pb;    *pb = t;}//以知两者的和，可以求任何其中之一,有益处的弊端int mySwap1(int *pa1,int *pb1){    *pa1 = *pa1 + *pb1;    *pb1 = *pa1 - *pb1;    *pa1 = *pa1 - *pb1;}//x,y,x^y,三者之间两两求异或运算即可得到第三者。和加法的思路一样。int mySwap2(int *pa2,int *pb2){    *pa2 = *pa2 ^ *pb2;    *pb2 = *pa2 ^ *pb2;    *pa2 = *pa2 ^ *pb2;    /*    *pa2 ^= *pb2;    *pb2 ^= *pa2;    *pa2 ^= *pb2;    */}int main() {    int a = 3;    int b = 5;    mySwap(&a,&b);
    return 0;}

异或加密(文本与二进制)

void encode(char *buf,char ch){    int len = strlen(buf);    for(int i = 0;i < len;i++)    {        buf[i] ^= ch;    }}void decode(char *buf,char ch){    int len = strlen(buf);    for(int i = 0;i < len;i++)    {        buf[i] ^= ch;    }}
int main(){    char buf[] = "I love C++";    printf("buf = %s\n",buf);    char ch = 'a';//这种只要传入相同的字符就会出错。    encode(buf,ch);    printf("buf = %s\n",buf);    decode(buf,ch);    printf("buf = %s\n",buf);
    return 0;}

int a;a ^= a;printf("a = %d\n";a); //自身异或清零。

改进：

void encode(char *buf,char ch){    int len = strlen(buf);    for(int i = 0;i < len;i++)    {        if(buf[i] == ch)            continue;        buf[i] ^= ch;    }}void decode(char *buf,char ch){    int len = strlen(buf);    for(int i = 0;i < len;i++)    {        if(buf[i] == ch)            continue;        buf[i] ^= ch;    }}
int main(){    char buf[] = "I love C++";    printf("buf = %s\n",buf);    char ch = 'a';//这种只要传入相同的字符就会出错。    encode(buf,ch);    printf("buf = %s\n",buf);    decode(buf,ch);    printf("buf = %s\n",buf);
    return 0;}

升级：

#includevoid encode(char *buf,char *px){    int len = strlen(buf);    int n = strlen(px);    int j = 0;    for(int i = 0;i < len;i++)    {        if(buf[i] == px[j])            j++;        else        {            buf[i] ^= px[j++];            if(j == n)                j = 0;        }    }
}void decode(char *buf,char *px){    int len = strlen(buf);    int n = strlen(px);    int j = 0;    for(int i = 0;i < len;i++)    {        if(buf[i] == px[j])            j++;        else        {            buf[i] ^= px[j++];            if(j == n)                j = 0;        }    }
}
int main(){    char buf[] = "i love you";    char xx[] = "19920415";    encode(buf,xx);    printf("buf = %s\n",buf);
    char buf2[1024];    scanf("%s",buf2);    decode(buf,buf2);    printf("buf = %s\n",buf);
    return 0;}

二进制加密没有上述是否相等问题。


循环移位加密


二进制加密：

void encode(char *buf,int n);void decode(char *buf,int n)int main(){    FILE *pfr = fopen("01.png","rb+");    if(pfr == NULL)        exit(-1);
    FILE *pfw = fopen("02.png","wb+");    if(pfw == NULL)        exit(-1);/* 解密    FILE *pfr = fopen("02.png","rb+");    if(pfr == NULL)        exit(-1);
    FILE *pfw = fopen("03.png","wb+");    if(pfw == NULL)        exit(-1);
*/

    char buf[1024];    int n;    while((n = fread(buf,1,1024,pfr)) > 0)    {        encode(buf,n);        //decode(buf,n);解密        fwrite(buf,1,n,pfw);    }    fclose(pfr);    fclose(pfw);
    return 0;}void encode(char *buf,int n){    for(int i = 0;i < n;i++)    {        unsigned char ch = buf[i];        buf[i] = ch<<1 | ch>>7;    }}
void decode(char *buf,int n){    for(int i = 0;i < n;i++)    {        unsigned char ch = buf[i];        buf[i] = ch>>1 | ch<<7;    }}

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