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第12章 位运算

第12章 位运算目录:

12.1 位运算符C语言提供了六种位运算符

12.1.1 按位与运算

12.1.2 按位或运算

12.1.3 按位异或运算

12.1.4 求反运算

12.1.5 左移运算

12.1.6 右移运算

12.2 位域(位段)

12.3 本章小结

前面介绍的各种运算都是以字节作为最基本位进行的。 但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。

12.1     位运算符C语言提供了六种位运算符:

&          按位与

|          按位或

^          按位异或

~          取反

<<         左移

>>         右移

12.1.1        按位与运算

按位与运算符"&"是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进位相与。只有对应的两个二进位均为1时,结果位才为1,否则为0。参与运算的数以补码方式出现。

例如:9&5可写算式如下:

00001001        (9的二进制补码)

&00000101        (5的二进制补码)

00000001        (1的二进制补码)

可见9&5=1。

按位与运算通常用来对某些位清0或保留某些位。例如把a 的高八位清 0 ,保留低八位,可作a&255运算( 255 的二进制数为0000000011111111)。

【例12.1】

main(){

int a=9,b=5,c;

c=a&b;

printf("a=%d\nb=%d\nc=%d\n",a,b,c);

}

12.1.2        按位或运算

按位或运算符“|”是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进位相或。只要对应的二个二进位有一个为1时,结果位就为1。参与运算的两个数均以补码出现。

例如:9|5可写算式如下:

00001001

|00000101

00001101        (十进制为13)可见9|5=13

【例12.2】

main(){

int a=9,b=5,c;

c=a|b;

printf("a=%d\nb=%d\nc=%d\n",a,b,c);

}

12.1.3        按位异或运算

按位异或运算符“^”是双目运算符。其功能是参与运算的两数各对应的二进位相异或,当两对应的二进位相异时,结果为1。参与运算数仍以补码出现,例如9^5可写成算式如下:

00001001

^00000101

00001100       (十进制为12)

【例12.3】

main(){

int a=9;

a=a^5;

printf("a=%d\n",a);

}

12.1.4        求反运算

求反运算符~为单目运算符,具有右结合性。其功能是对参与运算的数的各二进位按位求反。

例如~9的运算为:

~(0000000000001001)结果为:1111111111110110

12.1.5        左移运算

左移运算符“<<”是双目运算符。其功能把“<< ”左边的运算数的各二进位全部左移若干位,由“<<”右边的数指定移动的位数,高位丢弃,低位补0。

例如:

a<<4

指把a的各二进位向左移动4位。如a=00000011(十进制3),左移4位后为00110000(十进制48)。

12.1.6        右移运算

右移运算符“>>”是双目运算符。其功能是把“>> ”左边的运算数的各二进位全部右移若干位,“>>”右边的数指定移动的位数。

例如:

设  a=15,

a>>2

表示把000001111右移为00000011(十进制3)。

应该说明的是,对于有符号数,在右移时,符号位将随同移动。当为正数时,最高位补0,而为负数时,符号位为1,最高位是补0或是补1 取决于编译系统的规定。Turbo C和很多系统规定为补1。

【例12.4】

main(){

unsigned a,b;

printf("input a number:   ");

scanf("%d",&a);

b=a>>5;

b=b&15;

printf("a=%d\tb=%d\n",a,b);

}

请再看一例!

【例12.5】

main(){

char a='a',b='b';

int p,c,d;

p=a;

p=(p<<8)|b;

d=p&0xff;

c=(p&0xff00)>>8;

printf("a=%d\nb=%d\nc=%d\nd=%d\n",a,b,c,d);

}

12.2     位域(位段)

有些信息在存储时,并不需要占用一个完整的字节,而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时,只有0和1两种状态,用一位二进位即可。为了节省存储空间,并使处理简便,C语言又提供了一种数据结构,称为“位域”或“位段”。

所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域,并说明每个区域的位数。每个域有一个域名,允许在程序中按域名进行操作。这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。

  1. 位域的定义和位域变量的说明

位域定义与结构定义相仿,其形式为:

struct 位域结构名

{ 位域列表 };

其中位域列表的形式为:

类型说明符 位域名:位域长度

例如:

struct bs

{

int a:8;

int b:2;

int c:6;

};

位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。 可采用先定义后说明,同时定义说明或者直接说明这三种方式。

例如:

struct bs

{

int a:8;

int b:2;

int c:6;

}data;

说明data为bs变量,共占两个字节。其中位域a占8位,位域b占2位,位域c占6位。

对于位域的定义尚有以下几点说明:

  • 一个位域必须存储在同一个字节中,不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时,应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。

例如:

struct bs

{

unsigned a:4

unsigned :0        /*空域*/

unsigned b:4       /*从下一单元开始存放*/

unsigned c:4

}

在这个位域定义中,a占第一字节的4位,后4位填0表示不使用,b从第二字节开始,占用4位,c占用4位。

  • 由于位域不允许跨两个字节,因此位域的长度不能大于一个字节的长度,也就是说不能超过8位二进位。
  • 位域可以无位域名,这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。例如:

struct k

{

int a:1

int  :2          /*该2位不能使用*/

int b:3

int c:2

};

从以上分析可以看出,位域在本质上就是一种结构类型,不过其成员是按二进位分配的。

  1. 位域的使用

位域的使用和结构成员的使用相同,其一般形式为:

位域变量名·位域名

位域允许用各种格式输出。

【例12.6】

main(){

struct bs

{

unsigned a:1;

unsigned b:3;

unsigned c:4;

} bit,*pbit;

bit.a=1;

bit.b=7;

bit.c=15;

printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c);

pbit=&bit;

pbit->a=0;

pbit->b&=3;

pbit->c|=1;

printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);

}

上例程序中定义了位域结构bs,三个位域为a,b,c。说明了bs类型的变量bit和指向bs类型的指针变量pbit。这表示位域也是可以使用指针的。程序的9、10、11三行分别给三个位域赋值(应注意赋值不能超过该位域的允许范围)。程序第12行以整型量格式输出三个域的内容。第13行把位域变量bit的地址送给指针变量pbit。第14行用指针方式给位域a重新赋值,赋为0。第15行使用了复合的位运算符"&=",该行相当于:

pbit->b=pbit->b&3

位域b中原有值为7,与3作按位与运算的结果为3(111&011=011,十进制值为3)。同样,程序第16行中使用了复合位运算符"|=",相当于:

pbit->c=pbit->c|1

其结果为15。程序第17行用指针方式输出了这三个域的值。

12.3     本章小结

  1. 位运算是C语言的一种特殊运算功能, 它是以二进制位为单位进行运算的。位运算符只有逻辑运算和移位运算两类。位运算符可以与赋值符一起组成复合赋值符。如&=,|=,^=,>>=,<<=等。
  2. 利用位运算可以完成汇编语言的某些功能,如置位,位清零,移位等。还可进行数据的压缩存储和并行运算。
  3. 位域在本质上也是结构类型,不过它的成员按二进制位分配内存。其定义、说明及使用的方式都与结构相同。
  4. 位域提供了一种手段,使得可在高级语言中实现数据的压缩,节省了存储空间,同时也提高了程序的效率。
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