【C++】（以及大多数编程语言）中常见的 六种基本位运算操作
在位运算（bitwise operations）中，按位与（&） 是基础操作之一，它通常和另外几种位运算操作 并列使用，共同构成底层数据处理、硬件控制、压缩编码等场景的核心工具。
以下是 C/C++（以及大多数编程语言）中常见的 六种基本位运算操作，它们地位相当，常配合使用：
1. 按位与（Bitwise AND） — &
- 作用：对两个操作数的每一位执行逻辑“与”。
- 用途：
- 掩码（masking）：提取特定位
- 清零某些位（用 0 掩掉）
- 示例：
x & 0x01 // 检查最低位是否为1
x & 0xFE // 清除最低位（保留高7位） 2. 按位或（Bitwise OR） — |
- 作用：对每一位执行逻辑“或”。
- 用途：
- 设置（置1）某些位
- 合并多个标志位
- 示例：
x | 0x01 // 强制最低位置1
flags = ERR_FLAG | TIMEOUT_FLAG; // 组合多个状态标志3. 按位异或（Bitwise XOR） — ^
- 作用：相同为0，不同为1。
- 用途：
- 翻转特定位（toggle）
- 加密/校验（如简单异或加密）
- 交换两个变量（不用临时变量）
- 示例：
x ^= 0x01 // 翻转最低位（0变1，1变0）
a ^= b; b ^= a; a ^= b; // 交换a和b（不推荐实际使用，仅演示）4. 按位取反（Bitwise NOT） — ~
- 作用：对一个操作数的所有位取反（0变1，1变0）。
- 用途：
- 构造掩码
- 清除某一位（配合 & 使用）
- 示例：
x & ~0x01 // 清除最低位（等价于 x &= 0xFE）
mask = ~0xF0 // 得到 0x0F（低4位为1）5. 左移（Left Shift） — <<
- 作用：将所有位向左移动，右侧补0。
- 用途：
- 快速乘以 2ⁿ
- 构造位掩码（如
1 << 3得到0b00001000） - 将数据放到指定位置
- 示例：
1 << 3 // 结果是 8 (0b1000)
reg |= (1 << ENABLE_BIT); // 设置第 ENABLE_BIT 位6. 右移（Right Shift） — >>
- 作用：将所有位向右移动。
- 对 无符号数：逻辑右移（高位补0）
- 对 有符号数：可能是算术右移（高位补符号位，依赖编译器）
- 用途：
- 快速除以 2ⁿ（整数除法）
- 提取高位数据（如你之前问的
m.data[5] >> 6）
- 示例：
x >> 2 // 相当于 x / 4（向下取整）
(byte >> 4) & 0x0F // 提取高4位常见组合技巧（实战）
| 目标 | 表达式 |
|---|---|
| 设置第 n 位 | `x |
| 清除第 n 位 | x &= ~(1 << n) |
| 翻转第 n 位 | x ^= (1 << n) |
| 检查第 n 位是否为1 | (x >> n) & 1 或 (x & (1 << n)) != 0 |
| 提取低4位 | x & 0x0F |
| 提取高4位 | (x >> 4) & 0x0F |
为什么位运算性能高？
1. 硬件直接支持
- 所有现代 CPU 都有专门的 ALU（算术逻辑单元） 指令来执行位运算。
- 这些操作通常只需 1 个 CPU 周期（甚至更少），比加减法还快或相当。
- 相比之下，除法、取模、浮点运算可能需要几十甚至上百周期。
2. 无分支（branch-free）
- 位运算不涉及条件跳转（如
if），避免了 分支预测失败（branch misprediction） 的性能惩罚。 - 在高频循环或实时系统中，这点至关重要。
3. 内存友好
- 用 1 个 bit 表示布尔状态，8 个状态可压缩到 1 字节，减少内存占用和缓存压力。
- 更少的内存访问 = 更高的缓存命中率 = 更快的程序。
总结
与 按位与（&） 并列的核心位运算包括：
|（或）、^（异或）、~（非）、<<（左移）、>>（右移）
这六种操作构成了位级编程的基石，广泛应用于：
- 嵌入式系统（寄存器配置）
- 网络协议解析（标志位、字段提取）
- 图形/游戏开发（状态压缩）
- 加密与哈希算法
- 高性能计算（避免分支、优化内存）