C/C 位操作详解

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。

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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<<i)) 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<<i))            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<<i)) 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<<i)) 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<<i)) 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<<i)) 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<<i))            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<<i))            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

#include<stdio.h>void dis32bin(int data){    int i = 32;    while(i--)    {        if(data & (1<<i))            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<<n) | (*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：

#include<stdio.h>void 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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