C语言——位操作运算

        位操作是 C 语言中直接对二进制位进行运算的底层操作，在系统编程、嵌入式开发、算法优化等领域有重要应用。C语言提供了 6 个位操作运算符，这些运算符只能作用于整型操作数，也就是只能作用于带符号或无符号 char、short、int、long 类型。以下是六种操作符及其表示方法：

含义	表示符号
按位与（AND）	&
按位或（OR）	|
按位异或（XOR）	^
按位取反（一元运算符）	~
左移	<<
右移	>>

           由于 C 语言中 printf 没有输出二进制形式数据的格式，所以首先自定义一个打印二进制形式数据的函数print_binary。其示例如下：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

/**
 * @brief		二进制输出函数
 * @param num：	需要转换的数据
 * @param bits：转换后二进制的位数
 */
void print_binary(uint32_t num, int bits)
{
	for (int i = bits - 1; i >= 0; i--) {
		printf("%d", (num >> i) & 1);	/* 移位 并和 1相与 得到对应 位 */
		if (i && (i % 4 == 0)) {        /* 每 4 位加一个空格 */
			printf(" ");
		}
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
    /* 正数在计算机中是以二进制补码形式存储，正数的原码、反码和补码一致 */
	print_binary(18, 8);	/* 输出 8 位： 0001 0010 */
    /* 负数在计算机中是以二进制补码的形式存储的 */
    print_binary(-18, 8);	/* 1110 1110 -> -18的补码形式，原码为 1001 0010 */

	return 0;
}

        还有一点，要了解有符号数在计算机中存储形式， 在计算机中数值一律以二进制补码的形式储存。

• 正数的原码、反码及补码的形式是一样的。
• 但是负数的原码、反码及补码的形式不一样，负数的二进制原码的最高位是符号位，假设现在令 X = -13，则其二进制原码形式为 1000 1101。
• 负数的二进制反码是由二进制原码的符号位不变，其余各位取反所得。则 X 的二进制反码形式为 1111 0010。
• 负数的二进制补码则为二进制反码符号位不变再在最末位加上 1 所得。则 X 的二进制补码形式为 1111 0011。

1、基础位操作符

1.1、按位与 &

• 特性：对应位同为 1 时结果为 1，否则为 0。
• 示例：

uint8_t a = 0b00011010, b = 0b01001100, c = 0b000000000;
c = a & b;
print_binary(c, 8);		/* 输出：0000 1000 */

• 应用： 

         1、掩码操作：提取特定位。

uint8_t port = 0b11001010;
uint8_t masked = port & 0x0F;	/* 获取低四位 -> 0b00001010 */
print_binary(masked, 8);		/* 输出：0000 1010 */

        2、清零位：x &= ~(1 << n)

uint8_t x = 0b11100100;
x = x & ~(1 << 6);		/* 将 x 的bit6清零 -> 0b10100100 */
print_binary(x, 8);		/* 输出：1010 0100 */

1.2、按位或 |

• 特性：对应位的任意一位为 1 则结果为 1。

• 示例：

uint8_t a = 0b01000010, b = 0b10001010, c;
c = a | b;
print_binary(c, 8);		/* 输出：1100 1010 */

•  应用：

        1、设置位：x |= (1 << n)

uint8_t x = 0b00001010;
x = x | (1 << 5);		/* 设置 x 的bit5 -> 0b00011010 */
print_binary(x, 8);		/* 输出：0010 1010 */

         2、合并标志位

#define READ	0x01        /* 0000 0001 */
#define WRITE	0x02        /* 0000 0010 */

int flags = READ | WRITE;
print_binary(flags, 8);		/* 0000 0011 */
printf("0x%02x\n", flags);	/* 0x03 */

1.3、按位异或 ^

• 特性：对应位相同为 0，不同为 1。
• 示例：

uint8_t a = 0b01000010, b = 0b10001010, c;
c = a ^ b;
print_binary(c, 8);		/* 输出：1100 1000 */

• 应用：

        1、交换变量（不需要使用临时变量）。

int m = 5, n = 3;
m ^= n;
n ^= m;
m ^= n;
printf("m = %d, n = %d\n", m, n);	/* m = 3, n = 5 */

        2、数据加密（使用密钥异或）。

        3、切换位状态：x ^= (1 << n)

uint8_t x = 0b11001010;
x ^= (1 << 6);			/* 切换 x 的bit6 -> 0b10001010 */
print_binary(x, 8);		/* 输出：1000 1010 */

 1.4、按位取反 ~

• 特性：将数据二进制形式的各位反转，0 变为 1， 1 变为 0。
• 注意：结果与数据类型的宽度有关。
• 示例： 

uint8_t q = 0b11000100;
print_binary(~q, 8);	/* 0011 1011 */

•  应用：

uint8_t mask = ~0x07;
print_binary(mask, 8);

1.5、移位操作

1.5.1、左移 <<

• 特性：低位补 0，相当于乘 2^n。

int d = 5;
print_binary(d, 8);			/* 0000 0101 */
print_binary(d << 3, 8);	/* 0010 1000 */
printf("d = %d\n", d << 3);	/* 40 */

1.5.2、右移 >>

• 特性：无符号数，高位补 0（逻辑移位）；有符号数，补符号位（算术移位）。

         在计算机内存当中，负数一律按照补码的形式进行存储，例如现在有一个负数 -8，其二进制原码形式为，这个地方需要注意的是高位的 1 为符号位，即当这个数字是负数的时候高位为 1，正数时高位为 0，且符号为不计入数值当中，只能表示正负数的概念。

        当 -8 存入计算机当中的时候，内存中需要对负数的原码符号位不变再进行按位取反加一的操作，即进行求补码的操作；特别注意，符号位不参与变化，补码为。负数右移操作时需要补符号位 1 ，则右移 2 位后为。

        当需要将移位后的负数从内存当中取出的时候，首先需要将补码转化成原码，转变规则为对当前的补码取反加一(其中符号位不参与变化)，转变后的原码为：。

1.5.3、应用

• 快速计算：x * 8  -->  x << 3

•  提取位字段：（x >> 4) & 0x0F

2、高级应用技巧

2.1、位掩码技术

• 检查位：

  if (x & (1 << n))

• 设置多个位：

  x |= (BIT0 | BIT2)

• 清除多个位：

  x &= ~(BIT1 | BIT3)

2.2、位字段结构

struct {
    unsigned int enable : 1;
    unsigned int mode   : 3;
    unsigned int status : 4;
} device_reg;

 2.3、高效位计数

int count_bits(uint32_t x)
{
    int count = 0;
    while (x) {
        x &= x - 1;    /* 清除最低位的 1 */
        count++;
    }
    return count;
}

2.4、奇偶校验

bool is_odd(uint8_t x)
{
    return x & 1;    /* 比 x % 2 更快 */
}

 3、典型应用场景

3.1、硬件寄存器操作

/* 设置 GPIO 引脚为输出模式 */
#define GPIO_MODE_OUT    (1 << 0)
volatile uint32_t *reg = (uint32_t*)0x40020000;
*reg |= GPIO_MODE_OUT;        /* 设置位 */
*reg &= ~(0X0F << 4);         /* 清除高 4 位 */

3.2、数据压缩存储

/* 存储 8 个 bool 值到 1 字节 */
uint8_t flags = 0;
flags |= (condition1 << 0);
flags |= (condition2 << 1);
/* 读取第 3 位 */
bool val = (flags >> 2) & 1;

3.3、图像处理

/* 快速计算 RGB 平均值 */
uint32_t pixel = 0xRRGGBB;    /* 此处RR、GG、BB仅是代表RGB通道的值 */
uint8_t avg = ((pixel >> 16) + ((pixel >> 8) & 0xFF) + (pixel & 0xFF)) / 3;

4、性能优化示例

        传统方法：

bool is_odd(uint8_t x)
{
    if (x % 2 == 0)
        return false;
    else
        return true;
}

        位操作优化：

bool is_odd(uint8_t x)
{
    return x & 1;
}

        掌握位操作可以显著提升底层系统编程能力，但在应用时需权衡效率与代码可读性。建议：关键位置使用位操作优化，复杂逻辑优先保证代码可维护性。

5、注意事项

5.1、移位安全

• 避免超出类型宽度，假设 uint32_t x，这时 x 是32位数据，如果 x << 33 则是未定义行为。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

int main()
{
	uint32_t x = 0xFFFF;	/* 数据只有 32 位 */
	uint32_t y = x << 33;	/* 左移	33 位导致算术溢出 */
    printf("%d\n", y);		/* 131070 */

	return 0;
}

• 有符号数右移结果与编译器的实现相关。

#include <stdio.h>

int main()
{
	int x = -15;
	printf("(-15 >> 3) = %d\n", x >> 3);	/* -2 */
    print_binary(x, 8);			/* 1111 0001 -> -15的补码形式，原码为 1000 1111 */
    print_binary(x >> 3, 8);	/* 1111 1110 -> 15右移2位的补码，原码为 1000 0010 */

	return 0;
}

 5.2、运算符优先级

        位操作符优先级低于比较运算符，建议多使用括号。

if (x & 0x0F == 0x08)    /* 错误：实际是 x & (0x0F == 0x08)
/* 建议写法 */
if ((x & 0x0F) == 0x08)

5.3、可移植性

• 字节序（大小端）问题影响位字段的内存布局。
• 使用固定宽度类型（如uint_t）增强可移植性。