C/C++ 位操作详解

(给CPP开发者加星标，提升C/C++技能)

来源：seafwg

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。

以下是正文

---

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 0000-0011
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-1011

---------------------------------------
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0011
c = 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 0000-0011
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-1001

-----------------------------------------
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-1011
a|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 0101-0101
1111-1111 1111-1111 1111-1111 1010-1010
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0000
1111-1111 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 0101-0101
0000-0000 0000-0000 0000-0000 1111-1111
0000-0000 0000-0000 0000-0000 1010-1010

=============================
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-0101
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0000
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-0101

=============================
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0101-0101
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-1111
0000-0000 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 0000-0001
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0010
0000-0000 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 0000-0001
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0010
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0100
a<<33 = 1
a<<33 = 2
a<<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 0101-0101
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0101
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0001
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0000

=======================================
1000-0000 0000-0000 0000-0000 1111-0000
1100-0000 0000-0000 0000-0000 0111-1000
1110-0000 0000-0000 0000-0000 0011-1100
1111-0000 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 0101-0101
0000-0000 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 0101-0101
1111-1111 1111-1111 1111-1111 1110-1111
0000-0000 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 0101-0101
0000-0000 0000-0000 0000-0000 0011-1100
0000-0000 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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