C语言的位运算操作包括两类，逻辑运算操作和逻辑移位操作。

逻辑运算操作

C语言提供了四种按位逻辑操作符，分别是按位取反，按位与，按位或，按位异或。在编译时，编译器会根据操作数的宽度分别转换为不同的指令。

操作

C语言操作符

汇编指令

按位取反

~

notb、notw、notl

按位与

&

andb、andw、andl

按位或

l

orb、orw、orl

按位异或

^

xorb、xorw、xorl

注意: C语言的逻辑与(&&)、逻辑或(||)、逻辑非(!)并没有对应的机器指令，而是由多条指令联合来实现这些功能，完成以变量为单位的逻辑操作。

下面我们以一个简单的C语言程序test.c来了解逻辑运算操作过程。

#include

void main()

{

int a=5;

unsigned int b=3;

short c=5;

int d=0;

a = ~a;

b = ~b;

c = ~c;

d = a&b;

d = a^b;

d = a|b;

return;

}

利用gcc命令将其进行编译成可执行文件。

gcc -o0 -m32 -g test.c -o test

利用objdump命令进行反汇编并将其重定向到test.txt文件方便查看。

objdump -S test>test.txt

main函数所对应的汇编指令如下所示。

000004ed :

#include

void main()

{

4ed:55 push %ebp

4ee:89 e5 mov %esp,%ebp

4f0:83 ec 10 sub $0x10,%esp

4f3:e8 48 00 00 00 call 540 <__x86.get_pc_thunk.ax>

4f8:05 e4 1a 00 00 add $0x1ae4,%eax

int a=5;

4fd:c7 45 f4 05 00 00 00 movl $0x5,-0xc(%ebp)

unsigned int b=3;

504:c7 45 f8 03 00 00 00 movl $0x3,-0x8(%ebp)

short c=5;

50b:66 c7 45 f2 05 00 movw $0x5,-0xe(%ebp)

int d=0;

511:c7 45 fc 00 00 00 00 movl $0x0,-0x4(%ebp)

a = ~a;

518:f7 55 f4 notl -0xc(%ebp)

b = ~b;

51b:f7 55 f8 notl -0x8(%ebp)

c = ~c;

51e:66 f7 55 f2 notw -0xe(%ebp)

d = a&b;

522:8b 45 f4 mov -0xc(%ebp),%eax

525:23 45 f8 and -0x8(%ebp),%eax

528:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

d = a^b;

52b:8b 45 f4 mov -0xc(%ebp),%eax

52e:33 45 f8 xor -0x8(%ebp),%eax

531:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

d = a|b;

534:8b 45 f4 mov -0xc(%ebp),%eax

537:0b 45 f8 or -0x8(%ebp),%eax

53a:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

return;

53d:90 nop

}

53e:c9 leave

53f:c3 ret

由以上代码可以看出a,b,c取反的三个操作分别对应以下指令。

a = ~a;

518:f7 55 f4 notl -0xc(%ebp)

b = ~b;

51b:f7 55 f8 notl -0x8(%ebp)

c = ~c;

51e:66 f7 55 f2 notw -0xe(%ebp)

其中变量a和变量b的取反指令都是notl,处理的是4字节的变量。而变量c的取反指令执行的是notw,执行的是2字节的变量。这也就说明了编译器会根据操作数的宽度分别转换为不同的指令。

下表给出C语言基本数据和类型和IA-32操作数类型的对应关系

C语言声明

汇编指令长度后缀

存储长度

(unsigned) char

b

8

(unsigned) short

w

16

(unsigned) int

l

32

(unsigned) long int

l

32

(unsigned) long long int

-

2 $imes$ 32

char *

l

32

float

s

32

double

l

64

long double

t

80/96

仍然以下面这样一个简单的C语言程序来理解逻辑与(&&)、逻辑或(||)、逻辑非(!)和按位逻辑操作符的区别。

#include

void main()

{

int a=5;

unsigned int b=3;

short c=5;

int d=0;

a = !a;

b = !b;

c = !c;

d = a&&b;

d = a||b;

return;

}

利用gcc命令将其进行编译，objdump命令进行反汇编之后，main函数所对应的汇编指令如下所示。

000004ed :

#include

void main()

{

4ed:55 push %ebp

4ee:89 e5 mov %esp,%ebp

4f0:83 ec 10 sub $0x10,%esp

4f3:e8 82 00 00 00 call 57a <__x86.get_pc_thunk.ax>

4f8:05 e4 1a 00 00 add $0x1ae4,%eax

int a=5;

4fd:c7 45 f4 05 00 00 00 movl $0x5,-0xc(%ebp)

unsigned int b=3;

504:c7 45 f8 03 00 00 00 movl $0x3,-0x8(%ebp)

short c=5;

50b:66 c7 45 f2 05 00 movw $0x5,-0xe(%ebp)

int d=0;

511:c7 45 fc 00 00 00 00 movl $0x0,-0x4(%ebp)

a = !a;

518:83 7d f4 00 cmpl $0x0,-0xc(%ebp)

51c:0f 94 c0 sete %al

51f:0f b6 c0 movzbl %al,%eax

522:89 45 f4 mov %eax,-0xc(%ebp)

b = !b;

525:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)

529:0f 94 c0 sete %al

52c:0f b6 c0 movzbl %al,%eax

52f:89 45 f8 mov %eax,-0x8(%ebp)

c = !c;

532:66 83 7d f2 00 cmpw $0x0,-0xe(%ebp)

537:0f 94 c0 sete %al

53a:0f b6 c0 movzbl %al,%eax

53d:66 89 45 f2 mov %ax,-0xe(%ebp)

d = a&&b;

541:83 7d f4 00 cmpl $0x0,-0xc(%ebp)

545:74 0d je 554

547:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)

54b:74 07 je 554

54d:b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax

552:eb 05 jmp 559

554:b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax

559:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

d = a||b;

55c:83 7d f4 00 cmpl $0x0,-0xc(%ebp)

560:75 06 jne 568

562:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)

566:74 07 je 56f

568:b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax

56d:eb 05 jmp 574

56f:b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax

574:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

return;

机器指令逻辑非(!)实现的操作解释,以a = !a这个作为例子：

a = !a;

518:83 7d f4 00 cmpl $0x0,-0xc(%ebp)

51c:0f 94 c0 sete %al

51f:0f b6 c0 movzbl %al,%eax

522:89 45 f4 mov %eax,-0xc(%ebp)

首先将变量a与常数0进行比较，如果相等就置寄存器al为1，不等则置为0，然后再把寄存器al的值扩展0扩展送到eax寄存器中，再从寄存器eax中送回到变量a的地址当中。

机器指令逻辑与(&&)实现的操作解释，以d = a&&b来解释。

d = a&&b;

541:83 7d f4 00 cmpl $0x0,-0xc(%ebp)

545:74 0d je 554

547:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)

54b:74 07 je 554

54d:b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax

552:eb 05 jmp 559

554:b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax

559:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

首先将变量a与0进行相比，如果变量a等于0，就跳到554这个位置，也就是执行指令mov $0x0,%eax，就是把0送到寄存器eax里面，再送到变量d当中。如果变量a不等于0，就用变量b与0相比，如果b等于0，也是跳转到554这个位置去将最终的结果设置为0，如果变量b也不等于0，就把1送到寄存器eax当中，将最终的结果设置为1。

机器指令逻辑或(||)实现的操作解释，以d = a||b来解释

d = a||b;

55c:83 7d f4 00 cmpl $0x0,-0xc(%ebp)

560:75 06 jne 568

562:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)

566:74 07 je 56f

568:b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax

56d:eb 05 jmp 574

56f:b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax

574:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

首先将变量a与0进行相比，如果变量a不等于0，就跳转到558这个位置，也就是执行指令mov $0x1,%eax，把1送到寄存器eax里面，无条件转到574这个位置，并将eax的值送到变量d当中。如果变量a等于0,就将变量b与0比较，如果b等于0，就跳转到56f这个位置，去将最终的结果设置为0。

逻辑移位操作

C语言的移位操作包括逻辑左移，算术左移，逻辑右移，算术右移等四种。

操作

C语言操作符

汇编指令

逻辑左移

<<

shlb、shlw、shll

算术左移

<<

salb、salw、sall

逻辑右移

>>

shrb、shrw、shrl

算术右移

>>

sarb、sarw、sarl

注意：IA-32中的其他移位指令没有对应的C语言操作，如想实现循环移位指令，需要编写多条语句来实现。

逻辑移位和算术移位的C语言操作符相同，编译器会根据操作数的不同来选择不同的指令。无符号数采用逻辑移位指令，有符号数采用算术移位指令。逻辑和算术的区别在于友移时最高位补0还是补符号位。算术右移补入符号位，逻辑右移补入0。

我们仍然以一个简单的C语言指令来为大家介绍逻辑移位操作的汇编指令。

#include

void main()

{

int a = 0x80000000;

unsigned int b = 0x80000000;

short c = 0x8000;

unsigned short d = 0x8000;

a=a>>4;

b=b>>4;

a=c;

a=d;

b=c;

b=d;

return;

}

利用gcc命令将其进行编译，objdump命令进行反汇编之后，main函数所对应的汇编指令如下所示

000004ed :

#include

void main()

{

4ed:55 push %ebp

4ee:89 e5 mov %esp,%ebp

4f0:83 ec 10 sub $0x10,%esp

4f3:e8 46 00 00 00 call 53e <__x86.get_pc_thunk.ax>

4f8:05 e4 1a 00 00 add $0x1ae4,%eax

int a = 0x80000000;

4fd:c7 45 f8 00 00 00 80 movl $0x80000000,-0x8(%ebp)

unsigned int b = 0x80000000;

504:c7 45 fc 00 00 00 80 movl $0x80000000,-0x4(%ebp)

short c = 0x8000;

50b:66 c7 45 f4 00 80 movw $0x8000,-0xc(%ebp)

unsigned short d = 0x8000;

511:66 c7 45 f6 00 80 movw $0x8000,-0xa(%ebp)

a=a>>4;

517:c1 7d f8 04 sarl $0x4,-0x8(%ebp)

b=b>>4;

51b:c1 6d fc 04 shrl $0x4,-0x4(%ebp)

a=c;

51f:0f bf 45 f4 movswl -0xc(%ebp),%eax

523:89 45 f8 mov %eax,-0x8(%ebp)

a=d;

526:0f b7 45 f6 movzwl -0xa(%ebp),%eax

52a:89 45 f8 mov %eax,-0x8(%ebp)

b=c;

52d:0f bf 45 f4 movswl -0xc(%ebp),%eax

531:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

b=d;

534:0f b7 45 f6 movzwl -0xa(%ebp),%eax

538:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

return;

从sarl $0x4,-0x8(%ebp)这条指令可以清楚的看到当执行a右移4位的操作时，因为a是有符号数，所以执行的就是算术右移，对应的汇编指令sarl。而执行b右移时，因为b是无符号数，所以执行的是逻辑右移指令，对应汇编指令shrl。

a=c;

51f:0f bf 45 f4 movswl -0xc(%ebp),%eax

523:89 45 f8 mov %eax,-0x8(%ebp)

a=d;

526:0f b7 45 f6 movzwl -0xa(%ebp),%eax

52a:89 45 f8 mov %eax,-0x8(%ebp)

b=c;

52d:0f bf 45 f4 movswl -0xc(%ebp),%eax

531:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

b=d;

534:0f b7 45 f6 movzwl -0xa(%ebp),%eax

538:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)

由这8条指令可以看出，在执行a=c的时候，执行的是符号扩展指令，z=d时执行的是零扩展指令，b=c时执行的是符号扩展指令，b=d时执行的是零扩展指令。因此我们可以看出，执行符号扩展还是零扩展是由等号右边的变量类型决定的，与等号左边的变量类型无关。

位运算的作用

可实现特定的功能：取特定位、保留特定位

周期短速度快：左移、右移可用于实现快速的整数乘、除法

可实现其他功能：原位交换

PS：交换变量a和变量b的值

普通方法

c = a; a = b; b = c;

位操作交换法

a = a^b; b = b^a; a = a^b;

位操作法原理：

b = b^(a^b) = b^a^b = b^b^a = a

a = (a^b)^(b^(a^b)) = a^b^b^a^b = b

以上内容就是本次我给大家分享的计算机系统基础学习的笔记-数据的位运算操作，小编也是初次入门，有什么地方写的不对的，还请多多指教。觉得还不错的点个赞支持一下小编，你的肯定就是小编前进的动力。另外如果想了解更多计算机专业的知识和技巧的，献上我的个人博客北徯，另外需要各种资料的童鞋，可以关注我的微信公众号北徯，免费的PPT模板，各种资料等你来领。