c语言位操作的高级应用

c语言里下有丰富的位运算，它们能很好的帮助我们对位进行操作

~、<<、>>、&、^、|、&=、^=、|=、<<=、>>=

这些位运算里，常用的有就是：与运算(&)，位移运算(<< >>)，还有或运算和异或运算(|,^)

许多c语言初学者可能只知道这些运算的意思，但是很少在实际编程中去用到它，其次是即便已经参与工作的程序员来说，也相对的较少用到它们，但是这些运算在Linux内核里非常容易见到，还有底层开发人员（单片机和嵌入式），因为底层开发人员需要对bit位进行转换(高低电平)

Linux内核里特别喜欢使用大量的位运算，这样有效加速运算，其次也显得很酷

如你想要做一个乘法,且这个数是2的倍数那么你可以这样做:

a = a * 64;

用位运算：

a = a << 6;

这样CPU就无需去调用ALU运算单元来执行对应的加法指令集，这样CPU只需要把a这个变量上的bit位向左移动6位就可以了。

几乎可以节约很大程度的计算，因为乘法需要累加器，而且不是一次就能做完的，详细可以参考我写的这篇文章：加减乘除实现

而位移就不一样了，只是简单的取出变量的bit，然后移动一下，在放回去，效率可以质上的提升。

这里解释一下，为什么2的倍数可以以位移的方式来完成

bit是以2的次方为单位的，这点学过计算机原理的应该都很清楚，从低位到高位每一次都是一个次方的叠加

而从低位到高位上面的64，刚好位移6次可以得到，所以把a变量的原bit，左移6位，随着次方的叠加，就相当于乘上64

有兴趣的小伙伴可以试试，把a的值转化为二进制数，然后右移6位，看一下算出的值是否与乘法结果后的值一样。

当我们写程序时，想要传递一些参数时

如有这样的一个场景，我们编写了一个程序，这个是一个窗体组件，是以接口形式提供给用户的，当用户调用时不可避免的需要传递一些参数

如：

组件的样式，标题，宽度和高度，x和y坐标等

就拿最简单的样式吧，样式可以有多种，如，凹凸，平滑，无边框，且这些样式允许同时存在，我们不可能傻乎乎的写很多样式宏吧？

类似这种：

#define 凹凸 0#define 平滑 1#define 无边框 2#define 凹凸加平滑 3#define 凹凸加无边框 4...

类似这种的，还有使用大量参数的，这种写法我也见过，我觉得这样非常浪费内存空间，以及开发效率，和代码质量

这些样式都是很简单的1-2-3这样的数字编号组成的，非常小，以至于8个bit位就能表示

如果我们使用一个int类型，把低8位用来存储凹凸，中间八位用来存储平滑，高八位用来存储无边框

然后在接口里取出int类型的低八位和中间八位还有高八位，然后判断是否有值就可以了，很简单

int是32位(随编译位数),这样的情况下还有八位可以当作保留，那么这样的好处就在于可以有效处理多个样式。

当然，这只是例子，你可以用在其它问题上。

下面给大家说一下，如何在实际运用中去运用位运算来解决上面这个问题

使用按位"&"方式来对位进行操作

复习“&”

1与0为0；1与1为1；0与0为0。

因为按位与的特点，我们可以通过按位一些不同的bit来达到赋予值的目的

如10的二进制是1010

当int a变量的值是0

那么

1010&00000000 00000000 00000000 000000000

则是

00000000 00000000 00000000 00001010

是不是发现好多0，这是因为int a是32位的，在底层运算时，完整的运算bit就是这样，且是从低到高位依次运算

同时当我们c语言赋予值的时，其实编译器会把它看成一个32位整型如：

int a = 0;

a = a&10;

位运算:

00000000 00000000 00000000 00001010&00000000 00000000 00000000 000000000

这里10 c语言编译器会通过一些类型推举，认为它是32位整数，然后赋值给int a

那么假如int a是1234，二进制是：00000000 00000000 00001001 1010010

我们a&10 就是：00000000 00000000 00000000 00001010&00000000 00000000 00001001 1010010

因为与的特性，所以只有最低的八位发生了变化，但是如果我们要是想把10这个值赋到高八位怎么办？

答：位移运算

通过位移把10的二进制数左移位就可以了

10左移八位是：00000000 00000000 00001010 00000000

然后与运算一下就可以了

实战一下吧~

#define INPUT_LOW_8(SOUR,VAR)({\SOUR|=VAR&0x00FF;\
})
#define INPUT_HEIGHT_8(SOUR,VAR)({\SOUR|=(VAR<<8)&0x0FF00;\
})#define OUTPUT_LOW_8(SOUR) (SOUR&0X00FF)
#define OUTPUT_HEIGHT_8(SOUR) (SOUR&0xFF00)>>8

上面这个是我在一个项目里写的，这里大家可以根据我们上面说的原理自己先分析一下

先说第一个

#define INPUT_LOW_8(SOUR,VAR)({\SOUR|=VAR&0x00FF;\
})

这里SOUR就是变量，而VAR就是要写入低八位的值

SOUR|=VAR&0xFF;

这里用或运算是因为为了不覆盖旧值，比如高位已经有值了，如果你用=号的话那么高位会被覆盖掉

如SOUR=VAR

即便VAR是0001这样的小值，被c语言会翻译成0000 0000 0000 0000 0000 0001这样的32位整型，然后赋予给SOUR

但是如果是|运算就不一样了，这里给大家顺便说一下或运算的特点：

1001|101=1101

有一时为一，都是0时为0，不相同时为一

在复习一下&和|

&: 二进制“与”(都为1时，结果是1，否则是0。)，比如:1010 & 1011 = 1010，1010 & 1000 = 1000。

|: 二进制“或”(有1时，结果是1，都是0时，结果为0。)，比如:1010 | 1011 = 1011，1010 | 1000 = 1010。

这两个运算符特点很相似，一般使用时容易混淆

后面的VAR&0xFF是因为假如传递进来的是一个大值，比如1234这样的值，我们只要低八位，所以&上0xFF，就可以取到低八位的值，然后写进去，这样可以防止一些额外的bit运算

如果你能确定VAR的值会小于8位，那么你可以省略掉后面的&0xFF

#define INPUT_HEIGHT_8(SOUR,VAR)({\SOUR|=(VAR<<8)&0x0FF00;\
})

这一个其实很简单，结合前面说的，左移8位，c语言会把它堪称32位整型处理，后面的&0x0FF00;也是左移了八位的FF，跟上面一样的原理。

这里说一下

一个F最大能表示15，而15的bit是1111，也就是说一个F能运算四个bit位，FF刚好8位

一般都会简写成0xFFFFFFF,实则上c语言会看成0x00FFFFFFFF

#define OUTPUT_LOW_8(SOUR) (SOUR&0X00FF)
#define OUTPUT_HEIGHT_8(SOUR) (SOUR&0xFF00)>>8

如果前面所说的你已经理解了，那么这段代码可以很轻松的理解

SOUR&0xFF，这里是将SOUR的值与低位运算一下，忽略高位的运算

而SOUR&0xFF00>>8 则是将高位的运算结果(同时也忽略其它位，只运算高16位)左移八位，因为c语言是从低位开始运算的，如果左移八位则：

假如SOUR&0xFF00的结果是0000 1111 0000 如果不左移八位，那么结果就是：240，这跟原本存入进去的值就不一样了，所以要左移八位到低位上去

demo：

#include <stdio.h>#define INPUT_LOW_8(SOUR,VAR)({\SOUR|=VAR&0x00FF;\
})
#define INPUT_HEIGHT_8(SOUR,VAR)({\SOUR|=(VAR<<8)&0x0FF00;\
})#define OUTPUT_LOW_8(SOUR) (SOUR&0X00FF)
#define OUTPUT_HEIGHT_8(SOUR) (SOUR&0xFF00)>>8int main(){int a=0;INPUT_LOW_8(a,30);INPUT_HEIGHT_8(a,20);printf("%d %d",OUTPUT_LOW_8(a),OUTPUT_HEIGHT_8(a));
}

结果：

30 20

但是这样的运算是有一个问题的

比如我们修改一下main函数：

int main(){int a=1234;INPUT_LOW_8(a,30);INPUT_HEIGHT_8(a,20);printf("%d %d",OUTPUT_LOW_8(a),OUTPUT_HEIGHT_8(a));
}

这里将a初始化为1234：

222 20

问题来了，很明显在获取低位的时出错啦

这里经过我调试分析得出的结果：

1234的bit=10011010010

30的bit=11110

当写入到低位时，原本的1234就会变成：10011011110

可以看到低位已经被赋予了30的bit

那么当10011011110 &11111111(0xFF)

10011011110

000011111111

000011011110

可以看到，是1的都保留了下来，因为30的bit 5个bit就能表示，但是恰巧在&上0xFF的时，其它位上也有值

也是1，导致被保留了下来

所以解决办法就是，在赋予LOW的时用=号，或者给变量初始化0都可以

这里在介绍一个如何获取每个变量的bit？

这里是我在项目里写的一个宏：

#define GET_BIT(NUM,I) (bool)(NUM&(1<<I))

NUM代表变量，I代表要获取的第几位的bit

(NUM&(1<<I))

这里其实也是用了位移

比如：

NUM=5(101)

1<<2,就是将1这个值左移两位

而1的bit位是0001，左移两位0100

然后5(101)&(100)=(100)

就取到了这个位上有没有值，但是不会返回1，返回结果是与运算后的结果100(4)

最前面的bool完美解决这个问题

因为在布尔值里，1代表TRUE，0代表FALSE

所以转化为布尔值后c语言语言会帮我们进行一个类型转换，当结果非0时，c语言会转化为1，0时就会返回0

在c语言里0代表假，非0代表真

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