Побитовые операторы

В Си имеются шесть операторов для манипулирования с битами. Их можно применять только к целочисленным операндам, т. е. к операндам типов char, short, int и long, знаковым и беззнаковым.

& — побитовое И.
| — побитовое ИЛИ.
^ — побитовое исключающее ИЛИ.
<< — сдвиг влево.
>> — сдвиг вправо.
~ — побитовое отрицание (унарный).

Оператор & (побитовое И) часто используется для обнуления некоторой группы разрядов.

Например

n = n & 0177;

обнуляет в n все разряды, кроме младших семи.

Число 0177 записано в восьмеричной системе. В двоичной системе это число равно

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111, размер целого на моей машине 4 байта.

Пусть целая переменная n = 65535 

(0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 в двоичном виде)

0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111

&

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111

---------------------------------------

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    int n = 65535;
    n = n & 0177;
    

    printf("%d\n", n);
}

Восьмеричные числа используются из-за удобства при работе с двоичной системой счисления. Каждая цифра восьмеричного числа может быть заменена тремя цифрами двоичного.

Таблица соответствия цифр восьмеричной системы счисления числам двоичной системы:

0 000

1 001
2 010
3 011
4 100
5 101
6 110
7 111

Оператор | (побитовое ИЛИ) применяют для установки разрядов; так,

х = х | SET_ON;

устанавливает единицы в тех разрядах х, которым соответствуют единицы в SET_ON.

#include <stdio.h>

#define SET_ON 07 /* 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 */

int main(void)

{

int n = 120; /* 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1000 */

n = n | SET_ON;

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

}

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111

|

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1000

---------------------------------------

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111

Оператор ^ (побитовое исключающее ИЛИ) в каждом разряде установит 1, если соответствующие разряды операндов имеют различные значения, и 0, когда они совпадают.

#include <stdio.h>

int main(void)

{

int a = 017; /* 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 */

int b = 036; /* 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1110 */

int c = 0;

c = a ^ b;

printf("%o ^ %o = %o\n", a, b, c);

printf("%x ^ %x = %x\n", a, b, c);

}

17 ^ 36 = 21
f ^ 1e = 11

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111

^

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1110

---------------------------------------

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0001

Операторы << и >> сдвигают влево или вправо свой левый операнд на число битовых позиций, задаваемое правым операндом, который должен быть неотрицательным. Так, х << 2 сдвигает значение х влево на 2 позиции, заполняя освобождающиеся биты нулями, что эквивалентно умножению х на 4. Сдвиг вправо беззнаковой величины всегда сопровождается заполнением освобождающихся разрядов нулями.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
unsigned char a = 11; /* 0000 1011 */
a = a << 2;

printf("The result is %d\n", a);
}

The result is 44

0000 1011    11
<< 2         *4
0010 1100    44

Как видно из примера, освободившиеся биты справа заполнились нулями.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
unsigned char a = 11; /* 0000 1011 */
a = a >> 2;

printf("The result is %d\n", a);
}

The result is 2

0000 1011       11
>> 2            /4
0000 0010 11    2

Сдвиг числа на 2 разряда вправо равносилен его делению на 4. Выдвигаемые наружу разряды содержат остаток от деления (11 в двоичной системе = 3 в десятичной; 11 % 4 = 3).

Сдвиг вправо знаковой величины на одних машинах происходит с распространением знака ("арифметический сдвиг"), на других — с заполнением освобождающихся разрядов нулями ("логический сдвиг").

#include <stdio.h>

int main(void)
{
signed char a = -16; /* 1111 0000 */
a = a >> 2;

printf("The result is %d\n", a);
}

The result is -4

1111 0000    -16
>> 2         /4
1111 1100    -4

На моей машине сдвиг арифметический, освободившиеся разряды нулями не заполняются.

Унарный оператор ~ поразрядно "обращает" целое т. е. превращает каждый единичный бит в нулевой и наоборот. Например

х = х & ~077

обнуляет в х последние 6 разрядов. Заметим, что запись х & ~077 не зависит от длины слова, и, следовательно, она лучше, чем х & 0177700, поскольку последняя подразумевает, что х занимает 16 битов. Не зависимая от машины форма записи ~077 не потребует дополнительных затрат при счете, так как ~077 — константное выражение, которое будет вычислено во время компиляции.

 077 - 0000 0000 0011 1111

~077 - 1111 1111 1100 0000 - 177700 (2 байта)

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 0000 - 37777777700 (4 байта)

Для иллюстрации некоторых побитовых операций авторы книги предлагают рассмотреть функцию getbits(x, p, n), которая формирует поле в n битов, вырезанных из х, начиная с позиции p, прижимая его к правому краю. Предполагается, что 0-й бит — крайний правый бит, а n и p — осмысленные положительные числа. Например, getbits(x, 4, 3) вернет в качестве результата 4, 3 и 2-й биты значения х, прижимая их к правому краю:

#include <stdio.h>

unsigned getbits(unsigned х, int p, int n);

int main(void)

{

printf("%u\n", getbits(126, 4, 3));

return 0;

}

/* getbits: получает n бит, начиная с р-й позиции */

unsigned getbits(unsigned х, int p, int n)

{

return (х >> (p + 1 - n)) & ~(~0 << n);

}

Выражение х >> (p+1-n) сдвигает нужное нам поле к правому краю. Константа ~0 состоит из одних единиц, и ее сдвиг влево на n бит (~0 << n) приведет к тому, что правый край этой константы займут n нулевых разрядов. Еще одна операция побитовой инверсии ~ позволяет получить справа n единиц.