C语言位运算中鲜为人知的事

第１７卷第５期　２０１４年５月　软件工程师ＳＯＦＴＷＡＲＥ　ＥＮＧＩＮＥＥＲ　、，０１．１７　ＮＯ．５　Ｍａｖ　２０１４　文章编号：１００８—０７７５（２０１４）一０５—２０—０２　Ｃ语言位运算中鲜为人知的事　周　岚　（江苏联合职业技术学院徐州财经分院，江苏徐州２２１００８）　摘要：在很多系统程序中常要求在位（ｂｉｔ）一级进行运算或处理。Ｃ语言提供了位运算的功能，这使得Ｃ语言也能　像汇编语言一样用来编写系统程序。位运算说的简单一些，就是直接对整数在内存中的二进制位进行操作。希望通过本　文让大家了解位运算中鲜为人知的事情。　关键词：位运算；规则；左移；右移；可移植　中图分类号：ＴＰ３１２　文献标识码：Ａ　Ｃ　Ｌａｎｇｕａｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｈｏｓｅ　Ｌｉｔｔｌｅ－ｋｎｏｗｎ　ＺＨ０ＵＬａｎ　（Ｊｉａｎ￣ｕＬｉａｎｈｅ　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅＸｕｚｈｏｕＦｉｎａｎｃｉａｌＳｃｈｏｏｌｏｆＪｉａｎｇｓｕｙｕｚｈｏｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｍａｎｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆｔｅｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｓ（ｂｉｔ）ｉｎ　ａ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｏｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｃ　ｌａｎｇｕａｇｅ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　Ｃ　ｌａｎｇｕａｇｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｌａｎｇｕａｇｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｗｒｉｔｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ．Ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｓｉｍｐｌｅ，ｊｕｓｔ　ｔｏ　ｉｎｔｅｇｅｒ　ｉｎ　ｂｉｎａｒｙ　ｂｉｔｓ　ｉｎ　ｍｅｍｏｒｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｈｏｐｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｔｏ　ｌｅｔ　ｅｖｅｒｙｂｏｄｙ　ｋｎｏｗ　ｔｈｅ　ｌｉ￣ｌｅ—　ｋｎｏｗｎ　ｔｈｉｎｇｓ　ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ；ｒｕｌｅｓ；ｌｅｆｔ；ｒｉｇｈｔ；ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ　ｌ引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）　程序中的所有数在计算机内存中都是以二进制的形式储　进制位进行操作。比如，ａｎｄ运算本来是一个逻辑运算符，　但整数与整数之间也可以进行ａｎｄ运算。举个例子，６的二进　制是１１０，１１的二进制是１０１１，那么６　ａｎｄ　１１的结果就是２，　它是二进制对应位进行逻辑运算的结果（０表示Ｆａｌｓｅ，１表示　Ｔｒｕｅ，空位都当０处理）…。　在很多系统程序中常要求在位（ｂｉｔ）一级进行运算或处　理。Ｃ语言提供了位运算的功能，这使得Ｃ语言也能像汇编语　言一样用来编写系统程序。　在Ｃ语言中常用的位运算操作如下：　操作符　＆　的汇编代码，该段代码起一个名称宏名，其使用与汇编指令　类似。　　存的。位运算说的简单一些，就是直接对整数在内存中的二　例１：＃ｄｅｆｉｎｅ　ＳＥＴＡＡ　１（Ｘ，ｙ）（（ｘ）Ｉ＝（ｙ））　＃ｄｅｆｉｎｅ　ｓＥＴＡＡ２（ｘ，Ｙ）　（（ｘ）＆＝　（ｙ））　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＳＥＴＡＡ３（ｘ，Ｙ）　（（ｘ）　＝（ｙ））　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＳＥＴＡＡ４（ｘ，Ｙ）　（（ｘ）＆（ｙ））　３位操作尽量使用ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ，而不是ｃｈａｒ（Ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｓ　ｆａｒ　ａｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ，ｎｏｔ　ｃｈａｒ）　如果你使用ｃｈａｒ，那么一个普通的字符，０ｘｅ３，因为首位　是１，所以当它被转换为１位长时，成了０ｘｆｆｆｆｆｅ３，而不是我　们想要的０ｘ００００００ｅ３，因为它是一个有符号的负数。　让我们来看一下这个例子。　例２：　＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ｓｔｄｌｉｂ．ｈ＞　＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ｓｔｄｉｏ．ｈ＞　１　＾　＞＞　＜＜　作用　位逻辑与　位逻辑或　位逻辑异或　位逻辑反　右移　左移　，　ｉｎｔ　ｍａｉｎ（）　｛／／ｃｈａｒ　ｂｕｆ［１０］＝｛０｝；　按位运算是对字节或字中的实际位进行检测、设置或移　位，它只适用于字符型和整数型变量以及它们的变体，对其　他数据类型不适用。下面让我们一起来看看位运算鲜为人知　的事情。　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｂｕｆ［１０ｌ＝｛０｝；　ｃｈａｒ　ｓｂｕｆ［１０］＝｛０｝；　ｂｕｆ［Ｏ］＝Ｏｘｅ３；　２位操作应该先用宏定义好后再使用（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｍａｃｒｏ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｂｕｆ［１］＝０ｘｂ４；　ｓｂｕｆ［０］＝０ｘｅ３；　ｓｂｕｆ［１］＝０ｘｂ４；　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｓｈｏｒｔ　ｐｉｄｌ，ｐｉｄ２，ｐｉｄ３；　ａｆｔｅｒｕｓｅ）　什么是宏定义呢？宏定义是指：一段具有一定独立功能　第１７卷第５期　周岚：Ｃ语言位运算中鲜为人知的事　２１　／＊ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒｓ＊／　ｐｒｉｎｆｆ（“ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒｓ：＼ｎ”）；　ｐｉｄｌ＝（ｂｕｆ［０］＆０ｘｌｆ）：　ｐｉｄ２＝（（ｂｕｆ［０】＆０ｘｌｆ）＜＜８）；　ｐｉｄ３＝（（ｂｕｆ［０ｌ＆０ｘｌｆ＜＜８）ｌｂｕｆ［１】｝　Ｐｒｉｎｔｆ（“ｐｉｄｌ：％ｘ＼ｎ”，ｐｉｄ１）；　Ｐｒｉｎｔｆ（“ｐｉｄ２＝％２ｘ＼ｎ”，ｐｉｄ２）；　Ｐｒｉｎｆｆ（“ｐｉｄ３＝％２ｘ＼ｎ”，ｐｉｄ３）；　／＊ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒｓ＊／　ｐｒｉｎｔｆ（“ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒｓ：＼ｎ”）；　ｐｉｄ１＝（ｓｂｕｆ［０］＆０ｘ１ｆ）；　ｐｉｄ２＝（（ｓｂｕｆ［Ｏｌ＆０ｘｌｆ）＜＜８）；　ｐｉｄ３＝（（ｓｂｕｆ［０］＆０ｘ１ｆ）＜＜８）［ｓｂｕｆ［１］　ｐｒｉｎｔｆ（“ｐｉｄｌ＝％ｘ＼ｎ”，ｐｉｄ１）；　ｐｒｉｎｔｆ（“ｐｉｄ２＝％２ｘｋｎ”，ｐｉｄ２）；　ｐｒｉｎｔｆ（“ｐｉｄ３＝％２ｘ＼ｎ”，ｐｉｄ３）；｝　结果如下：　［ｓｈａｏｔｉｎｇ＠ｓｅｒｖｅｒｂｊ６：／ｕｓｅｒ／ｓｈａｏｔｉｎｇ／ＤＶＢ－ＴＩ￥．／　ａ．ｏｕｔ　ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒｓ：　ｐｉｄｌ＝３　ｐｉｄ２＝３００　ｐｉｄ３＝３ｂ４　ｂｉｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒｓ：　ｐｉｄｌ＝３　ｐｉｄ２＝３００　ｐｉｄ３：ｆｉｂ４　可见，ｐｉｄ３的两次取值，因为一个是针对ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　的ｂｕｆｆｅｒ，另一个是针对ｃｈａｒ的ｂｕｆｆｅｒ而使结果不同。　４移位运算符（Ｓｈｉｆｔ　ｏｐｅｒａｔｏｒ）　在使用移位运算符时，我常常会思考这样两个问题：　（１）在向右移位时，空出的位是由０填充，还是由符号位　填充？　（２）移位计数允许的取值范围是什么？　第一个问题的答案很简单，但有时却是与具体的Ｃ语言实　现有关。如果被移位的对象是无符号数，那么空出的位将被０　填充　。如果被移位的对象是有符号数，那么ｃ语言实现既可　以用０填充空出的位，也可以用符号位的副本填充空出的位。　我们如果关注向右移位时空出的位，那么可以将操作的变量　声明为无符号类型，那么空出的位都会被设置为０。　第二个问题也同样简单：如果被移位的对象长度是ｎ位，　那么移位计数必须大于０，小于ｎ。不可能做到在单次操作中　将某个数值中的所有位都移出来。　举例：如果一个ｉｎｔ型数是３２位，ｎ是一个ｉｎｔ型整数，那　么ｎ＜＜３１和ｎ＞＞０这样写都是合法的，而ｎ＜＜３２就不合法了，　当然，ｎ＞＞一１一样也是不合法的。　我们再来看看下面的例子。　例３：　Ｏｘ０１＜＜２＋３该式的结果是多少？　这个表达式的结果是多少？是７吗？测试的结果不是７，　正确的结果应该是３２，这是为什么呢？因为“＋”号的优先级　比移位运算的优先级高，在３２位系统下，再把这个例子改写　一下：　Ｏｘ０１＜＜２＋３０，或者改成：Ｏｘ０１＜＜２－４，这样行吗？答　案是不行。一个整型数长度为３２位，左移３２位发生了什么事　情？当然是溢出了，上面才讲过。同样左移一２７所以，不管　是左移还是右移，所移的位数都是有讲究的。左移和右移的　位数不能大于和等于数据的长度，不能小于０。　另外，Ｃ语言中位移操作分为算术位移和逻辑位移，二者　都表示为＜＜和＞＞运算符。　进行左移操作时，算术位移和逻辑位移都在结果右端　补０。但是右移时有所不同，算术位移在左端填充符号位（正　数为０，负数为１），逻辑位移在左端补０。位移运算的特性结　合Ｃ算术运算时类型提升特性，很容易出错　】。让我们再看　一个例子。　例４：　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｓｈｏｒｔ　ａ＝０ｘｆｆｅ５；　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｂ＝（ａ＜＜２０）＞＞２６；　上述代码执行结果为ｂ＝Ｏｘｆｆ。实际上（ａ＜＜２０）＞＞　２６的结果为０ｘｆｆｆｆｆｆｆ。其原因为：　ａ＜＜２０的执行结果超出ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｓｈｏｒｔ上限，中间结果　自动提升为ｉｎｔ型（注意：这里是ｉｎｔ型），其后的＞＞２６操作已　经变为算术位移了，于是结果的左边被补上了ｌ，最终导致结　果错误。　上述代码应该修正如下　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｓｈｏｒｔ　ａ＝０ｘｆｆｅ５；　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｔ　ｔｍｅｐ＝ａ；／／强制提升为ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｔ，杜绝自动提升　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｂ＝（ｔｅｍｐ＜＜２０）＞＞２６；　结果ｂ＝Ｏｘｂｆ，结果正确。　５结论（Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ）　综上所述，在进行位移操作时，一定要小心上溢，建议　在进行左移时先强制将无符号数（ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｓｈｏｒｔ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ）转换为ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｔ，再进行运算。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　［１】谭浩强．ｃ语言程序设计【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２０１Ｏ：　４５－４６．　［２１魏书堤，赵辉煌．ｃ语言二进制位运算教学设计ＩＪ］倩阳师范学　院学报，２０１３（６）：１４９—１５２．　［３】赵忠孝，杨亚蕾．对ｃ语言指针教学问题的探究Ｕ］．计算机教　育，２００９（１９）：７８—７９．　作者简介：　周　岚（１９７７一），女，硕士，讲师．研究领域：计算机程序设　计，数据库．