【C】位运算

C 语言位运算（Bitwise Operations）

位运算直接对整数的二进制位（bit）进行操作，常用于底层开发、硬件编程、数据压缩、加密算法等场景。C 语言提供了 6 种位运算符：

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1. 基本位运算符

运算符	名称	描述	示例（假设 A = 60, B = 13）
&	按位与	两位均为 1 时结果为 1	A & B = 12（0011 1100 & 0000 1101 = 0000 1100）
|	按位或	任意一位为 1 时结果为 1	`A
^	按位异或	两位不同时结果为 1	A ^ B = 49（0011 1100 ^ 0000 1101 = 0011 0001）
~	按位取反	所有位取反（0→1, 1→0）	~A = -61（~0011 1100 = 1100 0011，补码表示）
<<	左移	左移指定位数，低位补 0	A << 2 = 240（0011 1100 → 1111 0000）
>>	右移	右移指定位数，高位补符号位（算术右移）或 0（逻辑右移，取决于编译器）	A >> 2 = 15（0011 1100 → 0000 1111）

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2. 常见用途

(1) 掩码操作（Masking）

• 检查某位是否为 1：

  if (value & (1 << n)) {  // 检查第 n 位（从 0 开始）// 第 n 位是 1
  }
  

• 设置某位为 1：

  value |= (1 << n);  // 第 n 位置 1
  

• 清除某位为 0：

  value &= ~(1 << n); // 第 n 位清 0
  

• 切换某位（0↔1）：

  value ^= (1 << n);  // 第 n 位取反
  

(2) 快速乘除 2 的幂

• 左移代替乘法：

  int x = 5;
  int y = x << 3; // y = x * 2³ = 40
  

• 右移代替除法：

  int x = 20;
  int y = x >> 2; // y = x / 2² = 5
  

  注意：右移负数的结果依赖编译器实现（算术/逻辑右移）。

(3) 交换变量（不使用临时变量）

a ^= b;  // a = a ^ b
b ^= a;  // b = b ^ (a ^ b) = a
a ^= b;  // a = (a ^ b) ^ a = b

(4) 判断奇偶性

if (x & 1) {  // 等价于 x % 2 != 0// 奇数
}

(5) 取绝对值（32 位整数）

int abs(int x) {int mask = x >> 31;  // 正数为 0，负数为 -1（全 1）return (x ^ mask) - mask;  // 负数取反加 1
}

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3. 注意事项

1. 符号位问题：

   • 右移 (>>) 有符号数时，高位补符号位（算术右移）。
   • 无符号数右移时，高位补 0（逻辑右移）。

2. 位移超出位数：

   • 如果位移位数超过类型的宽度（如 int 左移 32 位），行为未定义（UB）。

3. 运算符优先级：

   • 位运算符优先级低于算术运算符，建议用括号明确逻辑：

     if (x & 0xFF == 0)   // 错误！等价于 x & (0xFF == 0)
     if ((x & 0xFF) == 0) // 正确
     

4. 可读性：

   • 复杂的位操作应添加注释，或使用宏/函数封装：

     #define BIT(n) (1 << n)
     #define IS_SET(x, n) ((x) & BIT(n))
     

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4. 实战示例

示例 1：提取 RGB 颜色分量

uint32_t color = 0xFF3366; // RGB(0xFF, 0x33, 0x66)
uint8_t r = (color >> 16) & 0xFF; // R = 0xFF
uint8_t g = (color >> 8)  & 0xFF; // G = 0x33
uint8_t b = color & 0xFF;         // B = 0x66

示例 2：IP 地址转换

uint32_t ip = (192 << 24) | (168 << 16) | (1 << 8) | 10; // 192.168.1.10

示例 3：位图（Bitmap）

uint8_t bitmap[16]; // 128 位位图
// 设置第 n 位
void set_bit(int n) {bitmap[n / 8] |= (1 << (n % 8));
}
// 清除第 n 位
void clear_bit(int n) {bitmap[n / 8] &= ~(1 << (n % 8));
}

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5. 扩展：位域（Bit Fields）

C 语言支持在结构体中定义位域，直接控制成员的位数：

struct {unsigned int is_active : 1;  // 1 位unsigned int mode      : 3;  // 3 位unsigned int padding   : 4;  // 4 位填充
} flags;

注意：位域的具体内存布局依赖编译器实现，跨平台时需谨慎。

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掌握位运算可以显著提升代码在底层和高性能场景的效率，但需注意可读性和平台兼容性。