C语言每日一练 —— 第20天:位运算
文章目录
- 一、前言
- 二、再谈二进制
- 1、二进制数值表示
- 2、二进制加法
- 3、二进制减法
- 三、位运算简介
- 1、位与的定义
- 2、位与运算符的简单应用
- 1)奇偶性判定
- 2)取末五位
- 3)消除末尾五位
- 4)2的幂判定
- 3、位或的定义
- 4、位或运算符的简单应用
- 1)设置标记位
- 2)置空标记位
- 5、异或运算符的定义
- 6、异或运算符的应用
- 1)标记位取反
- 2)变量交换
- 3)出现奇数次的数
- 四、位运算概览
- 1、逻辑位运算
- 1)位与
- 2)位或
- 3)异或
- 4)按位取反
- 2、移位位运算
- 1)左移
- 2)右移
一、前言
今天主要内容是聊一聊二进制和位运算。
对应视频教程如下:位运算视频教程。
二、再谈二进制
我们在学习 光天化日学C语言(06)- 进制转换入门 的时候,曾经提到过二进制。
二进制就是逢二进一,计算机中的存储采用的就是二进制。在计算机中,非零即一。
1、二进制数值表示
例如,在计算机中,我们可以用单纯的 0 和 1 来表示数字。
1、101、1100011、100101010101 都是二进制数。
123、423424324、101020102101AF 则不是,因为有 0 和 1 以外的数字位。
一般为了不产生二义性,我们会在数字的右下角写上它的进制,例如:1010(10)1010_{(10)}1010(10) 代表的是十进制下的 1010,也就是十进制下的 “一千零一十”。1010(2)1010_{(2)}1010(2) 代表的是二进制下的 1010,也就是十进制下的 “十”。
2、二进制加法
二进制加法采用从低到高的位依次相加,当相加的和为2时,则向高位进位。
例如,在二进制中,加法如下:1(2)+1(2)=10(2)1(2)+0(2)=1(2)0(2)+1(2)=1(2)0(2)+0(2)=0(2)1_{(2)} + 1_{(2)} = 10_{(2)} \\ 1_{(2)} + 0_{(2)} = 1_{(2)} \\ 0_{(2)} + 1_{(2)} = 1_{(2)} \\ 0_{(2)} + 0_{(2)} = 0_{(2)} 1(2)+1(2)=10(2)1(2)+0(2)=1(2)0(2)+1(2)=1(2)0(2)+0(2)=0(2)
3、二进制减法
二进制减法采用从低到高的位依次相减,当遇到 0 减 1 的情况,则向高位借位。
例如,在二进制中:减法如下:1(2)−1(2)=0(2)1(2)−0(2)=1(2)10(2)−1(2)=1(2)0(2)−0(2)=0(2)1_{(2)} - 1_{(2)} = 0_{(2)} \\ 1_{(2)} - 0_{(2)} = 1_{(2)} \\ 10_{(2)} - 1_{(2)} = 1_{(2)} \\ 0_{(2)} - 0_{(2)} = 0_{(2)} 1(2)−1(2)=0(2)1(2)−0(2)=1(2)10(2)−1(2)=1(2)0(2)−0(2)=0(2) 而我们今天要讲的位运算正是基于二进制展开的。
三、位运算简介
位运算可以理解成对二进制数字上的每一个位进行操作的运算。位运算分为 逻辑(布尔)位运算符 和 移位位运算符。
逻辑位运算符又分为 位与(&)、位或(|)、异或(^)、按位取反(~);移位位运算符分为 左移(<<) 和 右移(>>)。
如图所示:
1、位与的定义
位与运算符是一个二元的位运算符,也就是有两个操作数,表示为x & y
。
位与运算会对操作数的每一位按照如下表格进行运算,对于每一位只有 0 或 1 两种情况,所以组合出来总共 22=42^2 = 422=4 种情况。
左操作数 | 右操作数 | 结果 |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 |
通过这个表,我们得出一些结论:
1)无论是 0 或 1,只要位与上 1,还是它本身;
2)无论是 0 或 1,只要位与上 0,就变成 0;
#include <stdio.h>
int main() {int a = 0b1010; // (1)int b = 0b0110; // (2)printf("%d\n", (a & b) ); // (3)return 0;
}
- (1)(1)(1) 在C语言中,以
0b
作为前缀,表示这是一个二进制数。那么a
的实际值就是 (1010)2(1010)_2(1010)2。 - (2)(2)(2) 同样的,
b
的实际值就是(0110)2(0110)_2(0110)2; - (3)(3)(3) 那么这里
a & b
就是对(1010)2(1010)_2(1010)2 和 (0110)2(0110)_2(0110)2 的每一位做表格中的&
运算。
所以最后输出结果为:2
因为输出的是十进制数,它的二进制表示为: (0010)2(0010)_2(0010)2。注意:这里的 前导零 可有可无,作者写上前导零只是为了对齐以及让读者更加清楚位与的运算方式。
2、位与运算符的简单应用
1)奇偶性判定
我们判断一个数是奇数还是偶数,往往是通过取模%
来判断的,如下:
#include <stdio.h>
int main() {if(5 % 2 == 1) {printf("5是奇数\n");}if(6 % 2 == 0) {printf("6是偶数\n");}return 0;
}
然而,我们也可以这么写:
#include <stdio.h>
int main() {if(5 & 1) {printf("5是奇数\n");}if( (6 & 1) == 0 ) {printf("6是偶数\n");}return 0;
}
这是利用了奇数和偶数分别的二进制数的特性,如下表所示:
- | 二进制末尾位 |
---|---|
奇数 | 1 |
偶数 | 0 |
所以,我们对任何一个数,通过将它和 0b1
进行位与,结果为零,则必然这个数的二进制末尾位为0,根据以上表就能得出它是偶数了;否则,就是奇数。
2)取末五位
给定一个数,求它的二进制表示的末五位,以十进制输出即可。
这个问题的核心就是:我们只需要末五位,剩下的位我们是不需要的,所以可以将给定的数 位与上0b11111
,这样一来就直接得到末五位的值了。代码实现如下:
#include <stdio.h>
int main() {int x;scanf("%d", &x);printf("%d\n", (x & 0b11111) );return 0;
}
3)消除末尾五位
给定一个 32 位整数,要求消除它的末五位。
还是根据位与的性质,消除末五位的含义,有两层:
1)末五位,要全变成零;
2)剩下的位不变;
那么,根据位运算的性质,我们需要数,它的高27位都为1,低五位都为 0,则这个数就是:(11111111111111111111111111100000)2(11111111111111111111111111100000)_2(11111111111111111111111111100000)2 但是如果要这么写,代码不疯掉,人也会疯掉,所以一般我们把它转成十六进制,每四个二进制位可以转成一个十六进制数,所以得到十六进制数为0xffffffe0
。代码实现如下:
#include <stdio.h>
int main() {int x;scanf("%d", &x);printf("%d\n", (x & 0xffffffe0) );return 0;
}
4)2的幂判定
请用一句话,判断一个正数是不是2的幂。
如果一个数是 2 的幂,它的二进制表示必然为以下形式:100...00⏟k1\underbrace{00...00}_{\rm k}1k
x & (x-1)
必然为零。而其他情况则不然。所以本题的答案为:
(x & (x-1)) == 0
3、位或的定义
位或运算符是一个二元的位运算符,也就是有两个操作数,表示为x | y
。
位或运算会对操作数的每一位按照如下表格进行运算,对于每一位只有 0 或 1 两种情况,所以组合出来总共 22=42^2 = 422=4 种情况。
左操作数 | 右操作数 | 结果 |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 1 |
通过这个表,我们得出一些结论:
1)无论是 0 或 1,只要位或上 1,就变成1;
2)只有当两个操作数都是0的时候,才变成 0;
#include <stdio.h>
int main() {int a = 0b1010; // (1)int b = 0b0110; // (2)printf("%d\n", (a | b) ); // (3)return 0;
}
- (1)(1)(1) 在C语言中,以
0b
作为前缀,表示这是一个二进制数。那么a
的实际值就是 (1010)2(1010)_2(1010)2。 - (2)(2)(2) 同样的,
b
的实际值就是(0110)2(0110)_2(0110)2; - (3)(3)(3) 那么这里
a | b
就是对(1010)2(1010)_2(1010)2 和 (0110)2(0110)_2(0110)2 的每一位做表格中的|
运算。
所以最后输出结果为:14
因为输出的是十进制数,它的二进制表示为: (1110)2(1110)_2(1110)2。
4、位或运算符的简单应用
1)设置标记位
【例题1】给定一个数,判断它二进制低位的第 5 位,如果为 0,则将它置为 1。
这个问题,我们很容易联想到位或。
我们分析一下题目意思,如果第 5 位为 1,不用进行任何操作;如果第 5 位为 0,则置为 1。言下之意,无论第五位是什么,我们都直接置为 1即可,代码如下:
#include <stdio.h>
int main() {int x;scanf("%d", &x);printf("%d\n", x | 0b10000); return 0;
}
2)置空标记位
【例题2】给定一个数,判断它二进制低位的第 5 位,如果为 1,则将它置为 0。
这个问题,我们在学过 《算法零基础100讲》(第42讲) 位运算 (位与) 入门 以后,很容易得出这样一种做法:
#include <stdio.h>
int main() {int x;scanf("%d", &x);printf("%d\n", x & 0b11111111111111111111111111101111); return 0;
}
其它位不能变,所以位与上1;第5位要置零,所以位与上0;
这样写有个问题,就是这串数字太长了,一点都不美观,而且容易写错,当然我们也可以转换成 十六进制,转换的过程也有可能出错。
而我们利用位或,只能将第5位设置成1,怎么把它设置成0呢?
我们可以配合减法来用。分成以下两步:
1)首先,强行将低位的第5位置成1;
2)然后,强行将低位的第5位去掉;
第 (1)(1)(1) 步可以采用位或运算,而第 (2)(2)(2) 步,我们可以直接用减法即可。代码实现如下:
#include <stdio.h>
int main() {int x;int a = 0b10000; scanf("%d", &x);printf("%d\n", (x | a) - a ); return 0;
}
注意:直接减是不行的,因为我们首先要保证那一位为 1,否则贸然减会产生借位,和题意不符。
5、异或运算符的定义
异或运算符是一个二元的位运算符,也就是有两个操作数,表示为x ^ y
。
异或运算会对操作数的每一位按照如下表格进行运算,对于每一位只有 0 或 1 两种情况,所以组合出来总共 22=42^2 = 422=4 种情况。
左操作数 | 右操作数 | 结果 |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
通过这个表,我们得出一些结论:
1)两个相同的十进制数异或的结果一定为零。
2)任何一个数和 0 的异或结果一定是它本身。
3)异或运算满足结合律和交换律。
#include <stdio.h>
int main() {int a = 0b1010; // (1)int b = 0b0110; // (2)printf("%d\n", (a ^ b) ); // (3)return 0;
}
- (1)(1)(1) 在C语言中,以
0b
作为前缀,表示这是一个二进制数。那么a
的实际值就是 (1010)2(1010)_2(1010)2。 - (2)(2)(2) 同样的,
b
的实际值就是(0110)2(0110)_2(0110)2; - (3)(3)(3) 那么这里
a ^ b
就是对(1010)2(1010)_2(1010)2 和 (0110)2(0110)_2(0110)2 的每一位做表格中的^
运算。
所以最后输出结果为:12
。因为输出的是十进制数,它的二进制表示为: (1100)2(1100)_2(1100)2。
6、异或运算符的应用
1)标记位取反
【例题1】给定一个数,将它的低位数起的第 4 位取反,0 变 1,1 变 0。
这个问题,我们很容易联想到异或。我们分析一下题目意思,如果第 4 位为 1,则让它异或上 0b1000
就能变成 0;如果第 4 位 为 0,则让它异或上 0b1000
就能变成 1,也就是无论如何都是异或上 0b1000
,代码如下:
#include <stdio.h>
int main() {int x;scanf("%d", &x);printf("%d\n", x ^ 0b1000); return 0;
}
2)变量交换
【例题2】给定两个数 aaa 和 bbb,用异或运算交换它们的值。
这个是比较老的面试题了,直接给出代码:
#include <stdio.h>
int main() {int a, b;while (scanf("%d %d", &a, &b) != EOF) {a = a ^ b; // (1)b = a ^ b; // (2)a = a ^ b; // (3)printf("%d %d\n", a, b);}return 0;
}
我们直接来看 (1)(1)(1) 和 (2)(2)(2) 这两句话,相当于b
等于a ^ b ^ b
,根据异或的几个性质,我们知道,这时候的b
的值已经变成原先a
的值了。
而再来看第 (3)(3)(3) 句话,相当于a
等于a ^ b ^ a
,还是根据异或的几个性质,这时候,a
的值已经变成了原先b
的值。
从而实现了变量a
和b
的交换。
3)出现奇数次的数
【例题3】输入 nnn 个数,其中只有一个数出现了奇数次,其它所有数都出现了偶数次。求这个出现了奇数次的数。
根据异或的性质,两个一样的数异或结果为零。也就是所有出现偶数次的数异或都为零,那么把这 nnn 个数都异或一下,得到的数就一定是一个出现奇数次的数了。
#include <stdio.h>
int main() {int n, x, i, ans;scanf("%d", &n);ans = 0;for(i = 0; i < n; ++i) {scanf("%d", &x);ans = (ans ^ x);} printf("%d\n", ans);return 0;
}
光天化日学C语言(14)- 位运算 & 的应用
光天化日学C语言(15)- 位运算 | 的应用
光天化日学C语言(16)- 位运算 ^ 的应用
光天化日学C语言(17)- 位运算 ~ 的应用
光天化日学C语言(18)- 位运算 << 的应用
光天化日学C语言(19)- 位运算 >> 的应用
四、位运算概览
今天,我们先来对位运算进行一个初步的介绍。后面会对每个运算符的应用做详细介绍,包括刷题的时候如何运用位运算来加速等等。
1、逻辑位运算
对于布尔位运算,总共有四个,如下表所示:
C语言运算符表示 | 含义 | 示例 |
---|---|---|
&
|
位与 |
x & y
|
|
|
位或 |
x | y
|
^
|
异或 |
x ^ y
|
~
|
按位取反 |
x ~ y
|
1)位与
位与就是对操作数的每一位按照如下表格进行运算,对于每一位只有 0 或 1 两种情况,所以组合出来总共 22=42^2 = 422=4 种情况。
左操作数 | 右操作数 | 结果 |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 |
#include <stdio.h>
int main() {int a = 0b1010; // (1)int b = 0b0110; // (2)printf("%d\n", (a & b) ); // (3)return 0;
}
- (1)(1)(1) 在C语言中,以
0b
作为前缀,表示这是一个二进制数。那么a
的实际值就是 (1010)2(1010)_2(1010)2。 - (2)(2)(2) 同样的,
b
的实际值就是(0110)2(0110)_2(0110)2; - (3)(3)(3) 那么这里
a & b
就是对(1010)2(1010)_2(1010)2 和 (0110)2(0110)_2(0110)2 的每一位做表格中的&
运算。 - 所以最后输出结果为:
2
因为输出的是十进制数,它的二进制表示为: (0010)2(0010)_2(0010)2。
注意:这里的 前导零 可有可无,作者写上前导零只是为了对齐以及让读者更加清楚位与的运算方式。
2)位或
位或的运算结果如下:
左操作数 | 右操作数 | 结果 |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 1 |
我们来看以下这段程序:
#include <stdio.h>
int main() {int a = 0b1010;int b = 0b0110; printf("%d\n", (a | b) );return 0;
}
以上程序的输出结果为:
14
即二进制下的 (1110)2(1110)_2(1110)2 。
3)异或
异或的运算结果如下:
左操作数 | 右操作数 | 结果 |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
我们来看以下这段程序:
#include <stdio.h>
int main() {int a = 0b1010; int b = 0b0110; printf("%d\n", (a ^ b) ); return 0;
}
以上程序的输出结果为:
12
即二进制下的 (1100)2(1100)_2(1100)2 。
4)按位取反
按位取反其实就是 0 变 1, 1 变 0。
同样,我们来看一段程序。
#include <stdio.h>
int main() {int a = 0b1;printf("%d\n", ~a );return 0;
}
这里我想卖个关子,同学们可以自己试一下运行结果。
至于为什么会输出这个结果,我会在 光天化日学C语言(17)- 位运算 ~ 的应用 中进行详细讲解。
2、移位位运算
对于移位位运算,总共有两个,如下表所示:
C语言运算符表示 | 含义 | 示例 |
---|---|---|
<<
|
左移 |
x << y
|
>>
|
右移 |
x >> y
|
1)左移
其中x << y
代表将二进制的 xxx 的末尾添加 yyy 个零,就好比向左移动了 yyy 位。
比如 (1011)2(1011)_2(1011)2 左移三位的结果为:(1011000)2(1011000)_2(1011000)2。
2)右移
其中x >> y
代表将二进制的 xxx 从右边开始截掉 yyy 个数,就好比向右移动了 yyy 位。
比如 (101111)2(101111)_2(101111)2 右移三位的结果为:(101)2(101)_2(101)2。
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