零基礎(chǔ)入門語言篇十一章位運(yùn)算

第十一位運(yùn)算C語言既具有高級語言的特點(diǎn),也具有低級語言的特點(diǎn)。本節(jié)所講的位運(yùn)算就具有低級語言的特點(diǎn)，并被廣泛用于對底層硬件、外圍設(shè)備的狀態(tài)檢測和控制。計(jì)算機(jī)真正執(zhí)行的是由0和1信號組成的計(jì)算機(jī)指令，數(shù)據(jù)也是以二進(jìn)制形式表示的。因此最終要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的操作，就要對這些0和1進(jìn)行操作。每一個(gè)0和1的狀態(tài)稱為一個(gè)“位”（bit）的狀態(tài)。有了位運(yùn)算，C語言就能編寫出直接對計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行操作的程序。本章主要內(nèi)容11.1位運(yùn)算及位運(yùn)算符概述11.2位運(yùn)算11.3位域11.4位運(yùn)算應(yīng)用舉例11.1位運(yùn)算及位運(yùn)算符概述11.1.1位運(yùn)算概述所謂位運(yùn)算是指對操作數(shù)以二進(jìn)制位（bit）為單位進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理。每一個(gè)二進(jìn)制位只能存放1位二進(jìn)制數(shù)“0”或“1”，因此位運(yùn)算符的運(yùn)算對象是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)位的集合。通常把組成一個(gè)數(shù)據(jù)的最右邊的二進(jìn)制位稱作第0位，從右向左依次稱為第1位，第2位，…，最左邊一位稱作最高位。11．1．2位運(yùn)算符位的種類C語言中，位運(yùn)算包括邏輯位運(yùn)算和移位位運(yùn)算。1、邏輯位運(yùn)算分為四種：位反、位與、位或、位異2、移位位運(yùn)算分為二種：左移與右移。在c語言中的移位不是循環(huán)移動，經(jīng)過移位后一端的位被“擠掉”，而另一端空出的位補(bǔ)0。3、位復(fù)合賦值運(yùn)算符類似于算術(shù)的復(fù)合運(yùn)算符，位運(yùn)算符和賦值運(yùn)算符也可以構(gòu)成復(fù)合賦值運(yùn)算符。4、關(guān)于位運(yùn)算符的幾點(diǎn)說明（1）在邏輯位運(yùn)算中，~的優(yōu)先級高于算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符，其他位運(yùn)算符則低于關(guān)系運(yùn)算符、高于邏輯運(yùn)算符。（2）參加位運(yùn)算的操作數(shù)必須是整型或字符型數(shù)據(jù)(常量或變量),不能是其它類型的數(shù)據(jù)。（3）兩個(gè)長度不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行位運(yùn)算時(shí)，系統(tǒng)先將兩者的右端對齊，短的運(yùn)算對象若是有符號數(shù)則按符號位擴(kuò)展，若是無符號數(shù)則以“0”擴(kuò)充。（4）位運(yùn)算符的優(yōu)先級如下：按位取反運(yùn)算符“～”的優(yōu)先級最高，高于所有的雙目運(yùn)算符；其次是左移運(yùn)算符“<<“和右移運(yùn)算符“>>”,其優(yōu)先級高于關(guān)系運(yùn)算符；最低的是按位與“&”、按位異或“∧”和按位或“|”運(yùn)算符，其優(yōu)先級低于關(guān)系運(yùn)算符。（5）除了按位取反運(yùn)算符“～”的結(jié)合方向是自右至左外，其余位運(yùn)算符的結(jié)合方向都是自左至右（6）位運(yùn)算符和邏輯運(yùn)算符很相似，要注意區(qū)別。關(guān)系運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的結(jié)果只能是1或0，而按位運(yùn)算的結(jié)果不一定是1或0，還可以是其它數(shù)。11.2位運(yùn)算任務(wù)提出：如何統(tǒng)計(jì)一個(gè)字符對應(yīng)的ASCII碼中1的個(gè)數(shù)？任務(wù)分析：此問題首先要從鍵盤輸入一個(gè)字符，然后統(tǒng)計(jì)出該字符對應(yīng)的ASCLL碼值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制后1的個(gè)數(shù)。 解決此問題的難點(diǎn)在于如何判斷該字符對應(yīng)ASCII碼值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制后每個(gè)位上的數(shù)字是0還是1。設(shè)從鍵盤輸入的字符用ch表示，該問題需對字符ch的ASCII碼的每一位進(jìn)行測試，判斷是0還是1。方法是：設(shè)置一個(gè)屏蔽字與ch進(jìn)行“&”運(yùn)算，從而取所需的某位的狀態(tài)（0或1）。從高位開始，第8位所需設(shè)置的屏蔽字mask為0x80，即二進(jìn)制10000000，若ch&mask的結(jié)果為0，則說明ch的第8位為0，否則為1。第7位所需設(shè)置的屏蔽字mask為0x40，即將mask右移一位。如此一直下去，直到結(jié)束。#include"stdio.h"main(){charch;intmask,i,count=0;printf("請輸入一個(gè)字符：");ch=getchar();printf("該字符的ASCII是%d\n",ch);mask=0x80;for(i=0;i<8;i++){if((ch&mask)!=0)count++;mask>>=1;}printf("ASCII中1的個(gè)數(shù)有：%d\n",count);getch();}11.21按位取反運(yùn)算按位取反運(yùn)算是用來對二進(jìn)制按位進(jìn)行取反運(yùn)算，是單目運(yùn)算符。按位取反運(yùn)算符用“～”表示。按位取反運(yùn)算符是位運(yùn)算中惟一的單目運(yùn)算符，運(yùn)算對象應(yīng)置于運(yùn)算符的右邊。1、按位取反運(yùn)算的運(yùn)算規(guī)則按位取反運(yùn)算的運(yùn)算規(guī)則：把運(yùn)算對象的內(nèi)容按位取反，將每一位上的0變1，1變0。即～0=1，～1=0。例如：對十六進(jìn)制數(shù)32進(jìn)行取反?！?0110010=11001101結(jié)果為11001101。又如：a=0000000000001011，則表達(dá)式～a的值為1111111111110100。unsignedchara,b; /*定義兩個(gè)無符號字符型變量a，b*…b=～a /*對變量a全部位取反，結(jié)果賦值給b*/…printf("～a=%d\n",b); /*輸出十進(jìn)制b值*/2、按位取反運(yùn)算的主要應(yīng)用按位取反運(yùn)算的主要應(yīng)用：用來適應(yīng)不同字長型號的機(jī)型，幫助得到使原數(shù)最低位為0。例如：想使a中最低位為0，可讓a=a&～1。如果a是16位，其中～1等于0177776，與a相與后，使最低位為0。如果是a是32位，其中～1等于0377776，與a相與后，使最低位為0?？傊?，不管什么樣的機(jī)型，只要用a=a&～1，就可以使原數(shù)的最低位為0，而其余位不變。11.2.2按位與運(yùn)算按位與運(yùn)算是指參與運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)對應(yīng)的二進(jìn)制位進(jìn)行邏輯與的操作，用“&”表示。1、按位與運(yùn)算符的規(guī)則按位與運(yùn)算符的規(guī)則：若兩個(gè)運(yùn)算對象的對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)位均為1，則結(jié)果的對應(yīng)數(shù)位為1，否則為0。按位與運(yùn)算可能的運(yùn)算組合及其運(yùn)算結(jié)果如下所示：0&0=01&0=00&1=01&1=1即當(dāng)兩個(gè)數(shù)對應(yīng)的位全為1時(shí)，得到的該位就為1，只要對應(yīng)的位有一個(gè)0，得到的該位就為0。按位與運(yùn)算的特點(diǎn)：二進(jìn)制數(shù)的任何數(shù)位，只要和數(shù)位0進(jìn)行“與”運(yùn)算，該位清零；和數(shù)位1進(jìn)行“與”運(yùn)算，該位保留原值不變。例如，x=0000000000001011，y=0000000000001010，則表達(dá)式x&y的計(jì)算結(jié)果如下：2．按位與運(yùn)算的主要應(yīng)用（1）按位清零：只要把需要進(jìn)行清零的位與0進(jìn)行“按位與”操作，其余與1進(jìn)行“按位與”操作即可。例：把整型變量a的高八位清0，保留低八位。方法是：把a(bǔ)和一個(gè)高八位為0，低八位為1的數(shù)進(jìn)行按位與運(yùn)算。程序清單如下：main(){inta=268,b=0x00ff,c;c=a&b;printf("a=%d,b=%d,c=%d\n",a,b,c);}運(yùn)行結(jié)果：a=264,b=255,c=13（2）測試指定位的值：要判斷某一指定位的值是否為1或0，只需將這一位與1進(jìn)行“按位與”操作，然后判斷結(jié)果是否為1或0即可。例：設(shè)x是一個(gè)字符型變量（8位二進(jìn)制位），判斷x的最低位是否為1。方法是：把x和0x01進(jìn)行“按位與”運(yùn)算，如果結(jié)果為1則x的最低位是1。x=********&00000001結(jié)果：0000000*。程序清單如下：main(){intx=268,y=0x001,z;z=x&y;printf("x=%d,y=%d,z=%d\n",x,y,z);}運(yùn)行結(jié)果：x=268,y=1,z=0應(yīng)當(dāng)注意：“按位與”運(yùn)算&的優(yōu)先級低于關(guān)系運(yùn)算符！、=和==，所以在判斷結(jié)果是否為零時(shí)，表達(dá)式（x&0x01）!=0中的圓括號不能省略。（3）獲取指定位的值：要想獲取某些位的判斷某些位的值，只需將這些位的與1進(jìn)行“按位與”操作，其余與0進(jìn)行“按位與”操作。比如，設(shè)a=00101101，想取出a中的2～5位，方法是：令a&00011110。結(jié)果為：00001100。例：設(shè)x是一個(gè)整型變量（16位二進(jìn)制位），獲取x的低8位。方法是：將x與數(shù)0x00ff進(jìn)行按位與運(yùn)算：設(shè)x=****************&0000000011111111結(jié)果：00000000********。最后的結(jié)果是保存了x的低八位。程序清單如下：main(){intx=268,y=0x00ff,z;z=x&y;printf("x=%d,y=%d,z=%d\n",x,y,z);}運(yùn)行結(jié)果：x=268,y=255,z=1211.2.3按位或運(yùn)算按位或運(yùn)算符是指參與運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)對應(yīng)的二進(jìn)制位進(jìn)行邏輯或的操作，用“|”表示。1、按位或運(yùn)算符的運(yùn)算規(guī)則按位或運(yùn)算符的運(yùn)算規(guī)則：當(dāng)兩個(gè)數(shù)對應(yīng)的位全為0時(shí)，得到的該位就為0，只要對應(yīng)的位有一個(gè)1，得到的該位就為1。按位或運(yùn)算可能的運(yùn)算組合及其運(yùn)算結(jié)果如下所示：0|0=01|0=10|1=11|1=1例如，x=0000000000001011，y=0000000000001010，則表達(dá)式x|y的計(jì)算結(jié)果如下：結(jié)果為十進(jìn)制11。2．按位或運(yùn)算的主要應(yīng)用按位或運(yùn)算的主要應(yīng)用：按位置1。只要把需要置1的位與1進(jìn)行“按位或”的操作，其余與此0進(jìn)行“按位或”的操作。例：設(shè)x是一個(gè)整型變量，要求將x的低八位置1。方法是x=****************|0000000011111111結(jié)果：********11111111最后的結(jié)果是將x的低八位置1。程序清單如下：main(){intx=268,y=0x00ff,z;z=x|y;printf("x=%d,y=%d,z=%d\n",x,y,z);}11.2.4按位異或運(yùn)算按位異或運(yùn)算符是指參與運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)對應(yīng)的二進(jìn)制位進(jìn)行邏輯按位異或的操作，用“∧”表示。1、按位異或運(yùn)算符的運(yùn)算規(guī)則按位異或運(yùn)算符的運(yùn)算規(guī)則：若兩個(gè)運(yùn)算對象的對應(yīng)二進(jìn)制位不同，則結(jié)果的對應(yīng)數(shù)位為1，否則為0。按位異或運(yùn)算可能的運(yùn)算組合及其運(yùn)算結(jié)果如下所示：0∧0=01∧0=10∧1=11∧1=0例如，x=0000000000001011，y=0000000000001010，則表達(dá)式x∧y的計(jì)算結(jié)果如下：又如：c=10^610:0000,0000,0000,1010&6:0000,0000,0000,0110c:0000,0000,0000,1100（12）2．按位異或運(yùn)算的主要應(yīng)用按位異或運(yùn)算的主要應(yīng)用：特定位翻轉(zhuǎn)和保留原值。（1）特定位翻轉(zhuǎn)方法：特定位與1異或。對某些位進(jìn)行操作，如該位為1則將它變?yōu)?，如該位為0則將它變?yōu)?。例如：設(shè)a是一個(gè)字符型變量，現(xiàn)要求將a的低4位翻轉(zhuǎn)。a=01100110^00001111結(jié)果：01101001最后的結(jié)果是將a的低4位翻轉(zhuǎn)。（2）保留原值方法：與0異或。例如：設(shè)a是一個(gè)字符型變量，現(xiàn)要求將a的低4位保留原值。a=01100110^00000000結(jié)果：01100110最后的結(jié)果是將a的低4位保留原值。（3）不用臨時(shí)變量，實(shí)現(xiàn)交換兩個(gè)變量的值。例：將一個(gè)整數(shù)的低4位，如果是1變?yōu)?，如果是變?yōu)?。#include"stdio.h"main(){inta,b=0xf,c;printf("請輸入一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)a：\n");scanf("%x",&a);c=a^b;/*將a和b進(jìn)行按位異或運(yùn)算，其結(jié)果存入c*/printf("翻轉(zhuǎn)后的數(shù)為:%x\n",c);getch();}11.2.5左移運(yùn)算左移運(yùn)算符是把“<<”符號左邊的運(yùn)算數(shù)的各二進(jìn)制位全部左移若干位，移動的若干位由“<<”符號右邊的數(shù)指定，高位丟棄，低位補(bǔ)0，用“<<”表示。1、左移運(yùn)算符的運(yùn)算規(guī)則左移運(yùn)算符的運(yùn)算規(guī)則：將運(yùn)算對象中的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)位向左移動若干位，從左邊移出去的高位部分被丟棄，右邊空出的低位部分用“0”補(bǔ)齊。例如：x=0000000000001011，則x<<2的結(jié)果為0000000000101100。又例如：左移運(yùn)算舉例：chara=30*2^3；a=a<<2；結(jié)果如下：（30）=（0001，1110）（二進(jìn)制）120）=（0111，1000）（二進(jìn)制）注意：

若移出的高位部分不包含數(shù)位1，則每左移1位，相當(dāng)于乖2，左移n位相當(dāng)于乖2的n次方。若對c=44(00101100)進(jìn)行下面的操作：

c=c<<1；c的值變?yōu)?8（01011000）

c=c<<1；c的值變?yōu)?76（10110000）11.2.6右移運(yùn)算右移運(yùn)算符把運(yùn)算符左邊的運(yùn)算數(shù)的各二進(jìn)制位全部右移若干位，用“>>”表示，移動的若干位由“>>”符號右邊的數(shù)指定。右移運(yùn)算符的運(yùn)算規(guī)則：將運(yùn)算對象中的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)位向右移動若干位，從右邊移出去的低位部分被丟棄，左邊空出的高位部分的處理分兩種情況。對無符號數(shù)和正數(shù)來講，左邊空出的高位部分補(bǔ)“0”；對負(fù)數(shù)來講，左邊空出的高位部分補(bǔ)“0”還是補(bǔ)“1”，與所使用的編譯程序有關(guān)，有的編譯程序補(bǔ)“0”，稱為邏輯右移，有的編譯程序補(bǔ)“1”，稱為算術(shù)右移。例如：chara=0x78；a=a>>2；120/2^3結(jié)果如下：16進(jìn)制78=120=（0111，1000）（二進(jìn)制）右移后為：（30（0001，1110）（二進(jìn)制）應(yīng)當(dāng)注意：（1）若移出的位全為0，則每右移1位，相當(dāng)于除2，右移n位相當(dāng)于除2的n次方。（2）當(dāng)進(jìn)行右移運(yùn)算時(shí)，操作結(jié)果與操作數(shù)是否帶符號有關(guān)。v 無符號操作數(shù)右移時(shí)，左端出現(xiàn)的空位補(bǔ)0，右端移出的數(shù)據(jù)舍去。v 帶符號操作數(shù)右移時(shí)，左端出現(xiàn)的空位補(bǔ)符號位。若符號位為0則左邊也是移入0，若符號位為1則左端也是移入1，移出的數(shù)據(jù)舍去。例如：帶符號數(shù)a=

16和無符號數(shù)b=240，進(jìn)行下列操作：a=a>>1；a的值變?yōu)?/p>

8（11111000）b=b>>1；b的值變?yōu)?20（01111000）a=a>>1；a的值變?yōu)?/p>

4（11111100）b=b>>1；b的值變?yōu)?0（00111100）11.3位域在程序設(shè)計(jì)中，有時(shí)存儲一個(gè)信息不必用一個(gè)或多個(gè)字節(jié)，可以在一個(gè)字節(jié)中存放一個(gè)或多個(gè)信息。例如，“真”或“假”用1或0表示，只需一位即可，如果用一個(gè)變量來存儲，則將浪費(fèi)存儲空間。為了解決該問題，C語言提供了位段操作。在前面介紹的位與運(yùn)算、位或運(yùn)算、位異或運(yùn)算、反運(yùn)算、左移運(yùn)算、右移運(yùn)算等幾種的綜合運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)對某一位或某幾位的存取，但較麻煩。c語言中允許在結(jié)構(gòu)體中以位為單位來指定其成員所占的內(nèi)存長度，這種以位為單位的成員就稱為位段或位域（bitfield）。所謂位段是由一個(gè)或多個(gè)二進(jìn)制數(shù)位組成的，它是數(shù)據(jù)的一種壓縮形式。位段是一種特殊的壓縮形式結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)中的成員，它的特殊性在于它是以位為單位定義長度的。11.3.1位域或位段(bitfield)的定義形式c語言中允許在結(jié)構(gòu)體中以位為單位來指定其成員所占的內(nèi)存長度，這種以位為單位的成員就稱為位段或位域（bitfield）。所謂位段是由一個(gè)或多個(gè)二進(jìn)制數(shù)位組成的，它是數(shù)據(jù)的一種壓縮形式。位段是一種特殊的壓縮形式結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)中的成員，它的特殊性在于它是以位為單位定義長度的。11.3.1位域或位段(bitfield)的定義形式位域或位段（bitfield）的定義形式如下：struct位域結(jié)構(gòu)體名{位域列表}其中，位域列表的形式為：類型說明符位域名：位域長度；其中，位域名的類型必須指定為unsignedint型或int型，一般為unsigned型。位域長度以二進(jìn)制位為單位。例如：structbs{unsignedinta:1;unsignedintb:3;unsignedintc:4;}bit,*pbit;定義了結(jié)構(gòu)體bs，該結(jié)構(gòu)體變量共有3個(gè)成員，其中a，b，c成員是位段，分別占1位、3位、4位，共占1個(gè)字節(jié)。又如：structwd{unsigneda:2;unsignedb:3;unsignedc:6;

unsignedd:4;intk;}dat;定義了結(jié)構(gòu)體wd，該結(jié)構(gòu)體變量共有5個(gè)成員，其中a、b、c、d成員是位段，分別占2位、3位、6位、4位，k是的一般成員，k占2個(gè)字節(jié)。11.3.2位域的引用位域的引用方法與引用結(jié)構(gòu)體變量中的成員相同，即：位域結(jié)構(gòu)體名.位域名在C語言中，可以通過賦值語句給位域賦值。例如：structbs{unsineda:6；intb:2；intc:8；}data;這里定義一個(gè)位域結(jié)構(gòu)bs，同時(shí)定義了data為bs變量，共占兩個(gè)字節(jié)。其中位域a占6位，b占2位，c占8位。位域中數(shù)據(jù)的引用為：data.a=7；data.b=1；data.c=9；注意：1、賦值時(shí)不能超過位域允許的最大值范圍，如data.b只占2個(gè)位，最大值為3，此時(shí)若把8（二進(jìn)制為1000）賦給它，就會自動取賦予該數(shù)的低位，也是就00，最終data.b的值為0。2、位域還可以用整型格式符輸出。例如：printf(“%d,%d,%d\n”,data.a,data.b,data.c);也可以用%u、%o、%x等格式符輸出。11.4位運(yùn)算應(yīng)用舉例例：從鍵盤上輸入一個(gè)正整數(shù)n，判斷此數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。分析：奇數(shù)的二進(jìn)制表示中右邊的第1位為1，偶數(shù)的二進(jìn)制表示中右邊的第1位為0。因此該題就轉(zhuǎn)換為取該數(shù)右邊的第1位，并判斷其值是否為0。程序清單如下：main(){intn;printf("請輸入一個(gè)大于0的數(shù)n:");scanf("%d",&n);if((n&0x01)==0)/*取n的最后一位，若其值為0，則為偶數(shù)，否則為奇數(shù)*/printf("%d是一個(gè)偶數(shù)。\n",n);elseprintf("%d是一個(gè)奇數(shù)。\n",n);getch();}例：將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。分析：人們有時(shí)希望知道某個(gè)十六進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制數(shù)是什么，但C語言的printf()函數(shù)只提供%x，%d，%o方式輸出一個(gè)整數(shù)（即十六進(jìn)制，十進(jìn)制，八進(jìn)制）而不能直接輸出一個(gè)整數(shù)的二進(jìn)制形式，需要人工轉(zhuǎn)換，很不方便。在這里可以用位運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)此功能。采用的方法是：對一個(gè)整數(shù)num（16位）的每一位進(jìn)行測試，視其為0還是為1，可以設(shè)置一個(gè)屏蔽字與該數(shù)進(jìn)行&運(yùn)算，從而保留（取出）所需的一個(gè)位的狀態(tài)。從高低（第15位）開始，此