【C语言】第二课 位运算
| 运算符 | 名称 | 描述 | 示例 | 结果（基于示例） |
|---|---|---|---|---|
& | 按位与 | 两个位都为1时，结果才为1 | 5 & 3 | 1 (0b0001) |
| ` | ` | 按位或 | 两个位中只要有一个为1，结果就为1 | `5 |
^ | 按位异或 | 两个位相同时为0，不同时为1 | 5 ^ 3 | 6 (0b0110) |
~ | 按位取反 | 将操作数的每一位取反（0变1，1变0） | ~5 | -6 (依赖位数) |
<< | 左移 | 将操作数的二进制位向左移动指定的位数，右边空位补0 | 5 << 1 | 10 (0b1010) |
>> | 右移 | 将操作数的二进制位向右移动指定的位数，左边空位补符号位（算术右移）或0（逻辑右移） | 5 >> 1 | 2 (0b0010) |
🧮 位运算详解与示例
1. 按位与（&）
逐位比较，只有两个对应的位都为1时，结果位才为1。常用于屏蔽（清零）特定位或检查特定位是否为1。
#include <stdio.h>
int main() {unsigned int a = 0b11001100; // 204unsigned int b = 0b10101010; // 170unsigned int result = a & b; // 0b10001000 (136)printf("a & b = 0x%02X\n", result); // 输出: a & b = 0x88return 0;
}
2. 按位或（|）
逐位比较，只要两个对应的位中有一个为1，结果位就为1。常用于将特定位设置为1。
#include <stdio.h>
int main() {unsigned int a = 0b11001100; // 204unsigned int b = 0b10101010; // 170unsigned int result = a | b; // 0b11101110 (238)printf("a | b = 0x%02X\n", result); // 输出: a | b = 0xEEreturn 0;
}
3. 按位异或（^）
逐位比较，如果两个对应的位不同，则结果位为1；相同则为0。常用于翻转特定位或交换两个变量的值而不使用临时变量。
#include <stdio.h>
int main() {unsigned int a = 0b11001100; // 204unsigned int b = 0b10101010; // 170unsigned int result = a ^ b; // 0b01100110 (102)printf("a ^ b = 0x%02X\n", result); // 输出: a ^ b = 0x66// 交换两个变量a = a ^ b;b = a ^ b; // 等价于 (a ^ b) ^ b = aa = a ^ b; // 等价于 (a ^ b) ^ a = b (此时b已经是原来的a)printf("After swap: a = %u, b = %u\n", a, b);return 0;
}
4. 按位取反（~）
将操作数的每一位取反（0变成1，1变成0）。这是一个单目运算符。
#include <stdio.h>
int main() {unsigned int a = 0b00001111; // 15unsigned int result = ~a; // 0b11110000 (240) (假设8位)// 但实际中unsigned int是32位或64位，结果会很大printf("~a (unsigned) = 0x%X\n", result); int b = 15; // 有符号整数int signed_result = ~b; // 所有位取反，包括符号位printf("~b (signed) = %d\n", signed_result); // 输出: -16return 0;
}
注意：对无符号整数和有符号整数进行取反操作，其结果的理解有所不同。
5. 左移（<<）
将操作数的二进制位整体向左移动指定的位数，右边空出的位用0填充。左移一位相当于乘以2（在没有溢出的情况下）。
#include <stdio.h>
int main() {unsigned int a = 0b00001111; // 15 (二进制 ...00001111)unsigned int result = a << 2; // 0b00111100 (60) (...00111100)printf("a << 2 = %u\n", result); // 输出: 60int b = 1;printf("1 << 31 (on 32-bit system): %d\n", 1 << 31); // 可能产生负数或溢出return 0;
}
注意：左移操作需要小心溢出和符号位问题。
6. 右移（>>）
将操作数的二进制位整体向右移动指定的位数。右移一位相当于除以2（对于非负整数，且向下取整）。
- 逻辑右移：对于无符号整数，左边空出的位用0填充。
- 算术右移：对于有符号整数，左边空出的位通常用符号位填充（即保持符号不变）。
#include <stdio.h>
int main() {unsigned int u_num = 0b10001100; // 140 (无符号)u_num = u_num >> 2; // 逻辑右移: 0b00100011 (35)printf("u_num >> 2 (unsigned) = %u\n", u_num);int s_num = -80; // 有符号负数 (其二进制表示是补码形式)s_num = s_num >> 2; // 算术右移: 保持符号位，结果仍是负数printf("s_num >> 2 (signed) = %d\n", s_num); // 输出: -20return 0;
}
⚙️ 位运算在寄存器操作中的应用（逆向工程重点）
在嵌入式系统和驱动开发中，经常需要直接操作硬件寄存器。这些寄存器中的每一个位或几个位可能控制着特定的功能。位运算，尤其是按位与(&)、按位或(|) 结合移位操作(<<, >>)，是实现这种精确控制的利器。
1. 寄存器位操作常用技巧
假设我们有一个32位的控制寄存器 *reg。
- 置位（Set a Bit）：将特定位置1，而不影响其他位。
*reg |= (1 << 3); // 将第3位置1 (从0开始计数) - 清零（Clear a Bit）：将特定位清0，而不影响其他位。
*reg &= ~(1 << 5); // 将第5位清0 - ** toggle位（Toggle a Bit）**：将特定位翻转（1变0，0变1）。
*reg ^= (1 << 7); // 翻转第7位 - 检查位（Check a Bit）：检查特定位是否为1。
if (*reg & (1 << 2)) { // 检查第2位是否为1// 该位为1 }
2. 实例：模拟LED控制
假设一个LED由某个GPIO端口寄存器的第5位控制（1点亮，0熄灭）。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> // 用于sleep函数// 假设的寄存器地址和映射（实际中根据芯片手册定义）
#define GPIO_OUT_REG (*(volatile unsigned int *)0x40010000)void turn_on_led() {GPIO_OUT_REG |= (1 << 5); // 第5位置1，点亮LED
}void turn_off_led() {GPIO_OUT_REG &= ~(1 << 5); // 第5位清0，熄灭LED
}int main() {turn_on_led();printf("LED is ON\n");sleep(1); // 延迟1秒turn_off_led();printf("LED is OFF\n");return 0;
}
说明：
volatile关键字告诉编译器该变量的值可能会被硬件或其他线程意外改变，禁止编译器对其进行优化，确保每次访问都从内存读取或写入。- 实际寄存器地址和位定义需参考具体的芯片数据手册。
🧠 位运算符的优先级
位运算符的优先级有时会带来意想不到的结果。以下是从高到低的优先级顺序（同一行优先级相同）：
| 优先级 | 运算符 | 结合性 |
|---|---|---|
| 最高 | ~ (按位取反) | 右到左 |
<<, >> | 左到右 | |
& (按位与) | 左到右 | |
^ (按位异或) | 左到右 | |
| 最低 | ` | ` (按位或) |
强烈建议：在复杂的表达式中大量使用括号()来明确指定运算顺序，避免依赖记忆优先级而引入错误。
// 一个可能令人困惑的例子
int value = 0xFF;
int result = ~value & 0xF; // 等价于 (~value) & 0xF，而不是 ~(value & 0xF)// 清晰的写法是：
int clear_result = (~value) & 0xF;
💡 位运算的实用技巧
位运算的魅力在于其高效和巧妙。
-
判断奇偶性
if (x & 1) {// x是奇数 } else {// x是偶数 } -
交换两个变量的值（不借助临时变量）
a = a ^ b; b = a ^ b; // b now = original a a = a ^ b; // a now = original b -
检查2的幂次
if ((x & (x - 1)) == 0) {// x是2的幂（且x不为0） } -
提取RGB颜色分量
unsigned int color = 0x00FF00; // 绿色 unsigned char red = (color >> 16) & 0xFF; // 红色分量 0x00 unsigned char green = (color >> 8) & 0xFF; // 绿色分量 0xFF unsigned char blue = color & 0xFF; // 蓝色分量 0x00 -
位掩码（Bit Mask）
使用位掩码可以高效地管理多个布尔状态或选项。#define OPTION_A (1 << 0) // 0b00000001 #define OPTION_B (1 << 1) // 0b00000010 #define OPTION_C (1 << 2) // 0b00000100unsigned char flags = 0;flags |= OPTION_A | OPTION_C; // 设置选项A和C if (flags & OPTION_B) { ... } // 检查选项B是否设置 flags &= ~OPTION_A; // 清除选项A