C语言详细讲解位运算符的使用

目录

• 一、位运算符分析
• 二、小贴士
• 三、位运算与逻辑运算
• 四、小结

一、位运算符分析

C语言中的位运算符

位运算符直接对 bit 位进行操作，其效率最高。

左移和右移注意点

左操作数必须为整数类型

• char 和 short 被隐式转换为 int 后进行移位操作

右操作数的范围必须为：[0,31]

左移运算符<< 将运算数的二进制位左移

• 规则：高位丢弃，低位补0

右移运算符>> 把运算数的二进制位右移

• 规则︰高位补符号位，低位丢弃

下面一段代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("%d\n", 3 << 2); 
    printf("%d\n", 3 >> 1); 
    printf("%d\n", -1 >> 1); 
    printf("%d\n", 0x01 << 2 + 3);
    printf("%d\n", 3 << -1); // oops!
    return 0;
}

下面为输出结果：

注意四则运算优先级大于位运算，所以 0x01 << 2 + 3 的结果是 32。 还有就是右操作数的范围必须为：[0,31]，如果不在这个范围内，程序的输出结果由不同类型的编译器所决定，结果将不确定，就像本代码 3 << -1 一样。

二、小贴士

防错准则：

• 避免位运算符，逻辑运算符和数学运算符同时出现在一个表达式中
• 当位运算符，逻辑运算符和数学运算符需要同时参与运算时，尽量使用括号 ( ) 来表达计算次序

小技巧：

• 左移 n 位相当于乘以 2 的 n 次方，但效率比数学运算符高
• 右移 n 位相当于除以 2 的 n 次方，但效率比数学运算符高

下面看一段交换两个整型变量值的代码：

#include <stdio.h>
 
#define SWAP1(a,b)  \

{                   \

    int t = a;      \

    a = b;          \

    b = t;          \

}    
 
#define SWAP2(a,b)  \

{                   \

    a = a + b;      \

    b = a - b;      \

    a = a - b;      \

}     
 
#define SWAP3(a,b)  \

{                   \

    a = a ^ b;      \

    b = a ^ b;      \

    a = a ^ b;      \

}   
 
int main()   
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    
    //printf("a = %d\n", a);
    //printf("b = %d\n", b);
    
    SWAP1(a,b);
    
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n\n", b);
    
    a = 1;
    b = 2;
    
    SWAP2(a,b);
    
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n\n", b);
    
    a = 1;
    b = 2;
    SWAP3(a,b);
    
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n\n", b);   
    
    return 0;
}                                                                           

第一种方法需要引入第三方变量，第二种方法可能会导致越界问题，第三种的方法效率较高，且不用引入第三方变量。

注意第三种方法：执行 a = a ^ b; 后，b = a ^ b; 就相当于 b = a ^ b ^ b; 先计算后面的，就是 b = a ^ 0，结果就是 b = a；再执行a = a ^ b;相当于 a = a ^ b ^ b，即 a = a ^ b ^ a，显然结果是 b。

小知识：

A 异或 0 等于 A ，A 异或 1 等于 非A。

三、位运算与逻辑运算

位运算与逻辑运算不同：

• 位运算没有短路规则，每个操作数都参与运算
• 位运算的结果为整数，而不是 0 或 1
• 位运算优先级高于逻辑运算优先级

下面再来看一个混淆改变的判断条件：

#include <stdio.h>
int main()
{
    int i = 0;
    int j = 0;
    int k = 0;
    if( ++i | ++j & ++k )
    {
        printf("Run here...\n");
    }
    printf("i = %d, j = %d, k = %d\n\n", i, j, k);
    i = 0;
    j = 0;
    k = 0;
     if( ++i || ++j && ++k )
    {
        printf("Run here...\n");
    }
    printf("i = %d, j = %d, k = %d\n\n", i, j, k);
    return 0;
}

下面为输出结果：

可以看到，如果错把++i || ++j && ++k 写成++i | ++j & ++k，虽然都能运行，但是其中的执行细节不一样，在实际工程中可能会出现 bug，而且还不好排查。

四、小结

• 位运算符只能用于整数类型
• 左移和右移运算符的右操作数范围必须为 [0，31]
• 位运算没有短路规则，所有操作数均会求值
• 位运算的效率高于四则运算和逻辑运算
• 运算优先级：四则运算 > 位运算 > 逻辑运算