C語言 位元運算詳解及範例程式碼_C 語言

所謂位元運算，就是對一個位元（Bit）位進行操作。在《二進位思想以及資料的儲存》一節中講到，位元（Bit）是一個電子元器件，8個位元構成一個位元組（Byte），它已經是粒度最小的可操作單元了。

C語言提供了六種位元運算符：

運算子	&	|	^	~	<<	>>
說明	按位與	按位或	按位異或	取反	左移	右移

按位與運算（&）

一個位元（Bit）位只有 0 和 1 兩個取值，只有參與&運算的兩個位都為 1 時，結果才為 1，否則為 0。例如1&1為 1，0&0為 0，1&0也為 0，這和邏輯運算子&&非常類似。

C語言中不能直接使用二進位，&兩邊的運算元可以是十進位、八進位、十六進位，它們在記憶體中最終都是以二進位形式儲存，&就是對這些記憶體中的二進位位進行運算。其他的位元運算符也是相同的道理。

例如，9 & 5可以轉換成如下的運算：

    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在記憶體中的儲存）
& 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在記憶體中的儲存）
      -----------------------------------------------------------------------------------
    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0001  （1 在記憶體中的儲存）

也就是說，按位與運算會對參與運算的兩個數的所有二進位位進行&運算，9 & 5的結果為 1。

又如，-9 & 5可以轉換成如下的運算：

    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在記憶體中的儲存）
& 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在記憶體中的儲存）
             -----------------------------------------------------------------------------------
    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在記憶體中的儲存）

-9 & 5的結果是 5。

關於正數和負數在記憶體中的儲存形式，我們已在VIP教程《整數在記憶體中是如何儲存的》中進行了講解。

再強調一遍，&是根據記憶體中的二進位位進行運算的，而不是資料的二進位形式；其他位元運算符也一樣。以-9&5為例，-9 的在記憶體中的儲存和 -9 的二進位形式截然不同：

 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在記憶體中的儲存）
-0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （-9 的二進位形式，前面多餘的 0 可以抹掉）

按位與運算通常用來對某些位清 0，或者保留某些位。例如要把 n 的高 16 位清 0 ，保留低 16 位，可以進行n & 0XFFFF運算（0XFFFF 在記憶體中的儲存形式為 0000 0000 -- 0000 0000 -- 1111 1111 -- 1111 1111）。

【執行個體】對上面的分析進行檢驗。

#include <stdio.h>int main(){  int n = 0X8FA6002D;  printf("%d, %d, %X\n", 9 & 5, -9 & 5, n & 0XFFFF);  return 0;}

運行結果：

1, 5, 2D

按位或運算（|）

參與|運算的兩個二進位位有一個為 1 時，結果就為 1，兩個都為 0 時結果才為 0。例如1|1為1，0|0為0，1|0為1，這和邏輯運算中的||非常類似。

例如，9 | 5可以轉換成如下的運算：

    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在記憶體中的儲存）
|   0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在記憶體中的儲存）
      -----------------------------------------------------------------------------------
    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1101  （13 在記憶體中的儲存）

9 | 5的結果為 13。

又如，-9 | 5可以轉換成如下的運算： 

   1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在記憶體中的儲存）
|   0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在記憶體中的儲存）
      -----------------------------------------------------------------------------------
    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在記憶體中的儲存）

-9 | 5的結果是 -9。

按位或運算可以用來將某些位置 1，或者保留某些位。例如要把 n 的高 16 位置 1，保留低 16 位，可以進行n | 0XFFFF0000運算（0XFFFF0000 在記憶體中的儲存形式為 1111 1111 -- 1111 1111 -- 0000 0000 -- 0000 0000）。

【執行個體】對上面的分析進行校正。

#include <stdio.h>int main(){  int n = 0X2D;  printf("%d, %d, %X\n", 9 | 5, -9 | 5, n | 0XFFFF0000);  return 0;}

運行結果：

13, -9, FFFF002D
按位異或運算（^）

參與^運算兩個二進位位不同時，結果為 1，相同時結果為 0。例如0^1為1，0^0為0，1^1為0。

例如，9 | 5可以轉換成如下的運算：

    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在記憶體中的儲存）
^  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在記憶體中的儲存）
   -----------------------------------------------------------------------------------
    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1100  （12 在記憶體中的儲存）

9 | 5的結果為 12。

又如，-9 | 5可以轉換成如下的運算：

    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在記憶體中的儲存）
^  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在記憶體中的儲存）
           -----------------------------------------------------------------------------------
    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0010  （-1 在記憶體中的儲存）

-9 | 5的結果是 -14。

按位異或運算可以用來將某些二進位位反轉。例如要把 n 的高 16 位反轉，保留低 16 位，可以進行n ^ 0XFFFF0000運算（0XFFFF0000 在記憶體中的儲存形式為 1111 1111 -- 1111 1111 -- 0000 0000 -- 0000 0000）。

【執行個體】對上面的分析進行校正。

#include <stdio.h>int main(){  unsigned n = 0X0A07002D;  printf("%d, %d, %X\n", 9 ^ 5, -9 ^ 5, n ^ 0XFFFF0000);  return 0;}

運行結果：

12, -14, F5F8002D

取反運算（~）

取反運算子~為單目運算子，右結合性，作用是對參與運算的二進位位取反。例如~1為0，~0為1，這和邏輯運算中的!非常類似。。

例如，~9可以轉換為如下的運算：

~ 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在記憶體中的儲存）
-----------------------------------------------------------------------------------
   1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0110  （-10 在記憶體中的儲存）

所以~9的結果為 -10。

例如，~-9可以轉換為如下的運算：

~ 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在記憶體中的儲存）
-----------------------------------------------------------------------------------
   0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1000  （9 在記憶體中的儲存）

所以~-9的結果為 8。

【執行個體】對上面的分析進行校正。

#include <stdio.h>int main(){  printf("%d, %d\n", ~9, ~-9 );  return 0;}

運行結果：

-10, 8

左移運算（<<）

左移運算子<<用來把運算元的各個二進位位全部左移若干位，高位丟棄，低位補0。

例如，9<<3可以轉換為如下的運算：

<< 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在記憶體中的儲存）
          -----------------------------------------------------------------------------------
     0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0100 1000  （72 在記憶體中的儲存）

所以9<<3的結果為 72。

又如，(-9)<<3可以轉換為如下的運算：

<< 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在記憶體中的儲存）
-----------------------------------------------------------------------------------
      1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1011 1000  （-72 在記憶體中的儲存）

所以(-9)<<3的結果為 -72

如果資料較小，被丟棄的高位不包含 1，那麼左移 n 位相當於乘以 2 的 n 次方。

【執行個體】對上面的結果進行校正。

#include <stdio.h>

int main(){  printf("%d, %d\n", 9<<3, (-9)<<3 );  return 0;}

運行結果：

72, -72

右移運算（>>）

右移運算子>>用來把運算元的各個二進位位全部右移若干位，低位丟棄，高位補 0 或 1。如果資料的最高位是 0，那麼就補 0；如果最高位是 1，那麼就補 1。

例如，9>>3可以轉換為如下的運算：

>> 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在記憶體中的儲存）
    -----------------------------------------------------------------------------------
     0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0001  （1 在記憶體中的儲存）

所以9>>3的結果為 1。

又如，(-9)>>3可以轉換為如下的運算：

>> 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在記憶體中的儲存）
          -----------------------------------------------------------------------------------
      1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1110  （-2 在記憶體中的儲存）

所以(-9)>>3的結果為 -2

如果被丟棄的低位不包含 1，那麼右移 n 位相當於除以 2 的 n 次方（但被移除的位中經常會包含 1）。

【執行個體】對上面的結果進行校正。

#include <stdio.h>int main(){  printf("%d, %d\n", 9>>3, (-9)>>3 );  return 0;}

運行結果：

1, -2

 以上就是對 C語言位元運算的知識整理，後續繼續補充相關資料，謝謝大家對本站的支援！