c语言位运算符

目录

1.位移运算符介绍

2.原码、反码、补码

3.运算符讲解

<< 左移动运算符

>> 右移运算符

& 按位与

| 按位或

^ 按位异或

~ 取反

4.位运算宏举例

获取低16位

获取某一位

2的n次幂

对位截取

参数说明

宏的工作原理

示例

---

1.位移运算符介绍

位运算符用来对二进制位进行操作，C语言中提供了如上表所示的位运算符。

位运算符中，除 ～ （取反）以外，其余均为双目运算符。

• & 按位与
• | 按位或
• ^ 按位异或
• ~取反
• >>右移
• <<左移

整数在内存中存储的形式是补码的二进制

位运算符是对补码进行运算

2.原码、反码、补码

整数的二进制表示：有3种（原码、反码、补码）

原码：直接根据数值写出的二进制序列就是原码（32位）

反码：原码的符号位不变，其他位按位取反就是反码

补码：反码加1，就是补码

对于正整数的原码、反码、补码都相同；负数是存放在二进制的补码中，负整数的原码、反码、补码都不相同。

 例如：1（正整数的原码、反码、补码都相同）（最高位是符号位，0 表示正数）

1. 原码：0000000 00000000 00000000 00000001
3. 反码：0000000 00000000 00000000 00000001
5. 补码：0000000 00000000 00000000 00000001

复制代码

例如：-1（负整数的原码、反码、补码都不相同）（最高位为是符号位，1表示负数）

1. 原码：10000000 00000000 00000000 00000001
3. 反码：11111111 11111111 11111111 11111110（按位取反，符号位不变）
5. 补码：11111111 11111111 11111111 11111111（反码加1）

复制代码

3.运算符讲解

<< 左移动运算符

规则：左移运算是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向左移动，移出位被丢弃，右边移出的空位一律补0。

简单说就是：左边丢弃，右边补0

举例说明

1. #include <stdio.h>
3. int main()
4. {
5. int a = -5;
6. int b = a << 1;
8. printf("%d\n", a); // -5
9. printf("%d\n", b); // -10
11. return 0;
12. }

复制代码

过程说明

先写出 -5 的补码

1. 原码：10000000 00000000 00000000 00000101 （最高位为1）
3. 反码：11111111 11111111 11111111 11111010 （按位取反，符号位不变）
5. 补码：11111111 11111111 11111111 11111011 （反码加1）

复制代码

补码向左移动一位，左边去掉，右边补0，得到

1. 11111111 11111111 11111111 11110110

复制代码

反推原码进行打印（%d为打印形式，因此对补码按int解读，首位为符号位）

1. 补码：11111111 11111111 11111111 11110110
3. 反码：11111111 11111111 11111111 11110101（补码 -1 得到反码）
5. 原码：10000000 00000000 00000000 00001010（按位取反得到原码）

复制代码

此时得到的原码打印就是-10了

左移操作符通常用于对数值进行快速的乘以2的幂次方的操作，因为每向左移动一位就相当于乘以2。

也常用于在底层编程中操作位字段。

1. int a = 5; // 二进制表示为 0000 0101
2. int n = 2;
3. int result = a << n; // 结果是 20，二进制表示为 0001 0100
5. int a = 7; // 二进制表示为 0000 0111
6. int result = a << 3; // 结果是 56，因为 7 * 2^3 = 56
7. // 二进制表示：0000 0111 -> 0011 1000

复制代码

>> 右移运算符

右移运算是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向右移动，移出位被丢弃，左边移出的空位一律补0。然后符号位与原来保持一致。

举例说明

1. int main()
2. {
3. char a = -126;
4. char b = a >> 1;
6. printf("%d\n", a); // -126
7. printf("%d\n", b); // -63
9. return 0;
10. }

复制代码

-126的补码

1. 原码：1111 1110
3. 反码：1000 0001
5. 补码：1000 0010

复制代码

右移1位

1. 补码：1000 0010
3. 右移一位后的补码：0100 0001
5. 符号位与原来保持一致：1100 0001
7. 反码：1100 0000
9. 原码：1011 1111

复制代码

1011 1111就是-63

这个操作通常用于对整数进行快速的除以2的幂次方的操作，或者用于在处理位字段时调整位的位置。

1. #include <stdio.h>
3. int main()
4. {
5. // 7 >> 1 就是 7 / 2
6. printf("%d\n", 7 >> 1); // 3
8. return 0;
9. }

复制代码

& 按位与

规则：两个二进制操作数对应位同为 1 ，结果位才为 1 ，其余情况为 0 。

示例代码

1. #include <stdio.h>
3. int main()
4. {
5. unsigned char a = 252;
6. unsigned char b = 143;
7. char c = a & b;
8. printf("%d\n", c); // -116
10. return 0;
11. }

复制代码

解释

1. a的补码: 1111 1100
2. b的补码: 1000 1111
3. 按&运算------------
4. c的补码: 1000 1100

复制代码

注意c类型为char，是有符号的，首位看作符号，获取原码

1. c的补码: 1000 1100
3. c的反码：1000 1011
5. c的原码：1111 0100

复制代码

111 0100对应116.所以打印-116

| 按位或

规则：两个二进制操作数对应位只要有一个为 1 ，结果 位 就为 1 ，其余情况为 0 

示例代码

1. #include <stdio.h>
3. int main()
4. {
5. int a = 5;
6. int b = -2;
7. int c = a | b;
8. printf("%d\n", c); // -1
10. return 0;
11. }

复制代码

1. 5 的补码：00000000 00000000 00000000 00000101
2. -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111110
3. 5 | -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111111

复制代码

补码，需要原码才能打印

1. 5 | -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111111
2. 5 | -2 的反码：11111111 11111111 11111111 11111110
3. 5 | -2 的原码：10000000 00000000 00000000 00000001

复制代码

^ 按位异或

规则：两个二进制操作数对应 位 相同为 0 ，不同为 1

示例

1. #include <stdio.h>
3. int main()
4. {
5. int a = 5;
6. int b = -2;
7. int c = a ^ b;
8. printf("%d\n", c); // -5
10. return 0;
11. }

复制代码

过程

1. ​ 5 的补码：00000000 00000000 00000000 00000101
2. -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111110
3. 5 ^ -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111011

复制代码

补码，需要原码才能打印

1. 5 ^ -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111011
2. 5 ^ -2 的反码：11111111 11111111 11111111 11111010
3. 5 ^ -2 的原码：10000000 00000000 00000000 00000101

复制代码

~ 取反

规则：一个二进制操作数，对应位为 0 ，结果位为 1 ；对应位为 1 ，结果位为 0
作用是将每位二进制取反

示例

1. #include <stdio.h>
3. int main()
4. {
5. int a = 5;
6. int c = ~a;
7. printf("%d\n", c); // -6
9. return 0;
10. }

复制代码

过程

1. ​ 5 的补码：00000000 00000000 00000000 00000101
2. 取反：11111111 11111111 11111111 11111010
4. 反码：11111111 11111111 11111111 11111001
5. 原码：10000000 00000000 00000000 00000110

复制代码

4.位运算宏举例

获取低16位

// 定义一个宏，提取低16位赋值给uint16_t  
#define EXTRACT_LOW_16_BITS(value) ((uint16_t)((value) & 0xFFFF)) 
 

1. uint32_t idx = 0x12345678; // 假设这是你的原始32位值
2. uint16_t index; 
4. // 使用宏来提取低16位  
5. index = EXTRACT_LOW_16_BITS(idx); 
6. // 此时index将包含0x5678
7. // 你可以安全地将这个值作为uint16_t类型使用

复制代码

// 定义一个宏，提取低8位赋值给uint8_t  

#define EXTRACT_LOW_8_BITS(value) ((uint8_t)((value) & 0xFF))

获取某一位

// 获取第bitPos位的bit值，0，1，2....等

#define GET_BIT(num, bitPos) ((num >> bitPos) & 0x1)  
// 通过右移操作将目标位移动到最低位
// 然后使用位与操作（&）与1进行运算，以获取最低位的值  

2的n次幂

#define Power_Two(n) ((uint32)(0x1UL << (n)))

作用是计算并返回2的n次幂，其中n是函数的参数，表示幂次

0x1UL << (n) 是一个C或C++语言中的表达式，它结合了字面量、类型转换和左移操作符

• 0x1：这是一个十六进制字面量，它等于十进制的 1
• UL：这是两个字符的组合，分别代表 unsigned long 类型的字面量后缀。在这个上下文中，UL 主要用于确保字面量具有足够的位宽来容纳左移操作的结果。
• <<：这是左移操作符。
• 0x1UL << (n) 的意思是：将无符号长整型字面量 1（在二进制中表示为 0000 0001，这里省略了前导零以简化说明）向左移动 n 位。
• 在它原来所在的位置和更高位之间填充了 0。
• 如果 n 是 2，则 0x1UL << (n) 的结果是 4（在二进制中表示为 0000 0100）
   

对位截取

#define GET_BITS_U32(x, hi, lo) (((x) >> (lo)) & ((1U << ((hi) - (lo) + 1)) - 1))

这是一个宏定义，用于从一个无符号32位整数（x）中提取从低位（lo）到高位（hi，包括）之间的位。这个宏利用了位操作和位掩码的概念来实现其功能。下面是对这个宏的详细解释：

参数说明

• x：待操作的无符号32位整数。
• hi：需要提取的最高位的索引（从0开始计数）。
• lo：需要提取的最低位的索引（从0开始计数）。

宏的工作原理

1. 右移操作：((x) >> (lo))：这部分将x向右移动lo位。这样做的目的是将目标位段（从lo到hi）移动到最低位（即0到(hi-lo+1)）的位置。
2. 生成掩码：((1U << ((hi) - (lo) + 1)) - 1)
   • 1U 是一个无符号整数常量，值为1。1U << ((hi) - (lo) + 1) 将1向左移动(hi - lo + 1)位。这样做是为了创建一个掩码，这个掩码在第(hi - lo + 1)位上为1，其余位都是0。
   • 然后通过-1操作，第(hi - lo + 1)位上为1变为0，第0位到第(hi - lo)位为1。
3. 按位与操作：(((x) >> (lo)) & ((1U << ((hi) - (lo) + 1)) - 1))：最后，将上述两步的结果进行按位与操作。得到从lo位到hi位的截取。

示例

假设x = 0b 1101 0010 1011 0011 0011 0011 0011 0011（二进制表示），hi = 10，lo = 4。

• 首先，(x >> lo) 得到 0b 0000 1101 0010 1011 0011 0011 0011 0011。
• 然后，(1U << ((hi) - (lo) + 1)) - 1 生成掩码 0b 0111 1111。
• 最后，两者按位与得到 0b 011 0011，这就是从x中提取的从第4位到第10位（包括）的值。

---

end