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C语言按位操作符

news 2025/4/30 9:14:56

在C语言中，按位操作符直接对整数的二进制位（bit）进行操作，常用于底层编程、硬件控制或性能优化场景。以下是按位操作符的详细说明和用法：

1. 按位操作符列表

操作符	名称	功能描述	示例
`&`	按位与	对应位均为1时结果为1，否则为0	`a & b`
`	`	按位或	对应位至少一个为1时结果为1	`a	b`
`^`	按位异或	对应位不同时结果为1，相同时为0	`a ^ b`
`~`	按位取反	所有位取反（0变1，1变0）	`~a`
`<<`	左移	所有位向左移动，低位补0	`a << n`
`>>`	右移	所有位向右移动，高位补符号位或0	`a >> n`

2. 按位操作符详解

(1) 按位与（`&`）

功能：逐位比较两个操作数，只有当对应位均为1时，结果的该位为1。

示例：

int a = 5;    // 二进制: 0101
int b = 3;    // 二进制: 0011
int c = a & b; // 结果: 0001 (十进制1)
printf("%d\n", c); // 输出: 1

典型用途：
- 掩码操作（提取某些位）。
- 判断奇偶（a & 1 结果为1则是奇数，0则是偶数）。

(2) 按位或（`|`）

功能：逐位比较两个操作数，只要对应位有一个为1，结果的该位为1。

示例：

int a = 5;    // 0101
int b = 3;    // 0011
int c = a | b; // 0111 (十进制7)
printf("%d\n", c); // 输出: 7

典型用途：
- 设置某些位为1（如权限控制）。

(3) 按位异或（`^`）

功能：逐位比较两个操作数，对应位不同时结果为1，相同时为0。

示例：

int a = 5;    // 0101
int b = 3;    // 0011
int c = a ^ b; // 0110 (十进制6)
printf("%d\n", c); // 输出: 6

特性：
- 任何数异或自己结果为0（a ^ a = 0）。
- 异或0等于原数（a ^ 0 = a）。
典型用途：
- 交换两个变量的值（无需临时变量）：
```
a = a ^ b;
b = a ^ b;
a = a ^ b;
```
- 数据加密/简单校验。

(4) 按位取反（`~`）

功能：对操作数的所有位取反（0变1，1变0）。

示例：

int a = 5;    // 二进制: 0000 0101
int b = ~a;   // 取反: 1111 1010 (补码表示，实际值为-6)
printf("%d\n", b); // 输出: -6

注意：
- 结果取决于变量的类型（如unsigned int和int的结果可能不同）。

(5) 左移（`<<`）

功能：将操作数的所有位向左移动指定位数，低位补0。

示例：

int a = 3;    // 二进制: 0011
int b = a << 2; // 左移2位: 1100 (十进制12)
printf("%d\n", b); // 输出: 12

特性：
- 左移1位相当于乘以2（a << n ≈ a * 2^n）。
用途：
- 快速计算2的幂次。

(6) 右移（`>>`）

功能：将操作数的所有位向右移动指定位数，高位补符号位（算术右移）或0（逻辑右移）。

示例：

int a = 16;   // 二进制: 0001 0000
int b = a >> 2; // 右移2位: 0000 0100 (十进制4)
printf("%d\n", b); // 输出: 4

特性：
- 右移1位相当于除以2（a >> n ≈ a / 2^n）。
注意：
- 对有符号数，右移行为依赖编译器（通常补符号位）。

3. 常见应用场景

掩码操作（提取/设置特定位）

// 提取低4位
int mask = 0x0F; // 0000 1111
int value = 0x5A; // 0101 1010
int low_bits = value & mask; // 0000 1010 (0xA)

快速乘除2的幂次

int a = 10;
int double_a = a << 1; // 20
int half_a = a >> 1;   // 5

交换变量（无临时变量）

int x = 10, y = 20;
x = x ^ y;
y = x ^ y;
x = x ^ y;

权限控制（用位表示开关）

#define READ   0x1  // 0001
#define WRITE  0x2  // 0010
#define EXEC   0x4  // 0100int permissions = READ | WRITE; // 0011 (可读可写)
if (permissions & READ) { ... } // 检查读权限

4. 注意事项

区分逻辑操作符（&&、||）和按位操作符（&、|）

逻辑操作符返回0或1，按位操作符返回整数。

示例：

int a = 2, b = 3;
printf("%d\n", a & b);  // 按位与: 2 (二进制 10 & 11 = 10)
printf("%d\n", a && b); // 逻辑与: 1 (因为a和b均非零)

移位操作的未定义行为
- 如果右移负数或左移超过位数，结果可能未定义（编译器依赖）。
无符号数右移补0
- 对unsigned int，右移高位补0；对signed int，通常补符号位。

5. 总结

操作符	用途	示例
`&`	掩码、判断奇偶	`a & 0x01`
`	`	设置特定位	`flags	READ`
`^`	交换变量、简单加密	`a ^ b`
`~`	位取反	`~a`
`<<`	快速乘以2的幂次	`a << 3`
`>>`	快速除以2的幂次	`a >> 2`