c语言位运算符
c语言位运算符，相关宏讲解
目录
1.位移运算符介绍
位运算符用来对二进制位进行操作，C语言中提供了如上表所示的位运算符。
位运算符中，除 ～ （取反）以外，其余均为双目运算符。
- & 按位与
- | 按位或
- ^ 按位异或
- ~取反
- >>右移
- <<左移
整数在内存中存储的形式是补码的二进制
位运算符是对补码进行运算
2.原码、反码、补码
整数的二进制表示：有3种（原码、反码、补码）
原码：直接根据数值写出的二进制序列就是原码（32位）
反码：原码的符号位不变，其他位按位取反就是反码
补码：反码加1，就是补码
对于正整数的原码、反码、补码都相同；负数是存放在二进制的补码中，负整数的原码、反码、补码都不相同。
例如：1（正整数的原码、反码、补码都相同）（最高位是符号位，0 表示正数）
原码：0000000 00000000 00000000 00000001
反码：0000000 00000000 00000000 00000001
补码：0000000 00000000 00000000 00000001
例如：-1（负整数的原码、反码、补码都不相同）（最高位为是符号位，1表示负数）
原码：10000000 00000000 00000000 00000001
反码：11111111 11111111 11111111 11111110（按位取反，符号位不变）
补码：11111111 11111111 11111111 11111111（反码加1）
3.运算符讲解
<< 左移动运算符
规则：左移运算是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向左移动，移出位被丢弃，右边移出的空位一律补0。
简单说就是：左边丢弃，右边补0
举例说明
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = -5;
int b = a << 1;
printf("%d\n", a); // -5
printf("%d\n", b); // -10
return 0;
}
过程说明
先写出 -5 的补码
原码：10000000 00000000 00000000 00000101 （最高位为1）
反码：11111111 11111111 11111111 11111010 （按位取反，符号位不变）
补码：11111111 11111111 11111111 11111011 （反码加1）
补码向左移动一位，左边去掉，右边补0，得到
11111111 11111111 11111111 11110110
反推原码进行打印（%d为打印形式，因此对补码按int解读，首位为符号位）
补码：11111111 11111111 11111111 11110110
反码：11111111 11111111 11111111 11110101（补码 -1 得到反码）
原码：10000000 00000000 00000000 00001010（按位取反得到原码）
此时得到的原码打印就是-10了
左移操作符通常用于对数值进行快速的乘以2的幂次方的操作，因为每向左移动一位就相当于乘以2。
也常用于在底层编程中操作位字段。
int a = 5; // 二进制表示为 0000 0101
int n = 2;
int result = a << n; // 结果是 20，二进制表示为 0001 0100
int a = 7; // 二进制表示为 0000 0111
int result = a << 3; // 结果是 56，因为 7 * 2^3 = 56
// 二进制表示：0000 0111 -> 0011 1000
>> 右移运算符
右移运算是将一个二进制位的操作数按指定移动的位数向右移动，移出位被丢弃，左边移出的空位一律补0。然后符号位与原来保持一致。
举例说明
int main()
{
char a = -126;
char b = a >> 1;
printf("%d\n", a); // -126
printf("%d\n", b); // -63
return 0;
}
-126的补码
原码：1111 1110
反码：1000 0001
补码：1000 0010
右移1位
补码：1000 0010
右移一位后的补码：0100 0001
符号位与原来保持一致：1100 0001
反码：1100 0000
原码：1011 1111
1011 1111就是-63
这个操作通常用于对整数进行快速的除以2的幂次方的操作，或者用于在处理位字段时调整位的位置。
#include <stdio.h>
int main()
{
// 7 >> 1 就是 7 / 2
printf("%d\n", 7 >> 1); // 3
return 0;
}
& 按位与
规则：两个二进制操作数对应位同为 1 ，结果位才为 1 ，其余情况为 0 。
示例代码
#include <stdio.h>
int main()
{
unsigned char a = 252;
unsigned char b = 143;
char c = a & b;
printf("%d\n", c); // -116
return 0;
}
解释
a的补码: 1111 1100
b的补码: 1000 1111
按&运算------------
c的补码: 1000 1100
注意c类型为char，是有符号的，首位看作符号，获取原码
c的补码: 1000 1100
c的反码：1000 1011
c的原码：1111 0100
111 0100对应116.所以打印-116
| 按位或
规则：两个二进制操作数对应位只要有一个为 1 ，结果 位 就为 1 ，其余情况为 0
示例代码
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 5;
int b = -2;
int c = a | b;
printf("%d\n", c); // -1
return 0;
}
5 的补码：00000000 00000000 00000000 00000101
-2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111110
5 | -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111111
补码，需要原码才能打印
5 | -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111111
5 | -2 的反码：11111111 11111111 11111111 11111110
5 | -2 的原码：10000000 00000000 00000000 00000001
^ 按位异或
规则：两个二进制操作数对应 位 相同为 0 ，不同为 1
示例
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 5;
int b = -2;
int c = a ^ b;
printf("%d\n", c); // -5
return 0;
}
过程
5 的补码：00000000 00000000 00000000 00000101
-2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111110
5 ^ -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111011
补码，需要原码才能打印
5 ^ -2 的补码：11111111 11111111 11111111 11111011
5 ^ -2 的反码：11111111 11111111 11111111 11111010
5 ^ -2 的原码：10000000 00000000 00000000 00000101
~ 取反
规则：一个二进制操作数，对应位为 0 ，结果位为 1 ；对应位为 1 ，结果位为 0
作用是将每位二进制取反
示例
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 5;
int c = ~a;
printf("%d\n", c); // -6
return 0;
}
过程
5 的补码：00000000 00000000 00000000 00000101
取反：11111111 11111111 11111111 11111010
反码：11111111 11111111 11111111 11111001
原码：10000000 00000000 00000000 00000110
4.位运算宏举例
获取低16位
// 定义一个宏，提取低16位赋值给uint16_t
#define EXTRACT_LOW_16_BITS(value) ((uint16_t)((value) & 0xFFFF))
uint32_t idx = 0x12345678; // 假设这是你的原始32位值
uint16_t index;
// 使用宏来提取低16位
index = EXTRACT_LOW_16_BITS(idx);
// 此时index将包含0x5678
// 你可以安全地将这个值作为uint16_t类型使用
// 定义一个宏，提取低8位赋值给uint8_t
#define EXTRACT_LOW_8_BITS(value) ((uint8_t)((value) & 0xFF))
获取某一位
// 获取第bitPos位的bit值，0，1，2....等
#define GET_BIT(num, bitPos) ((num >> bitPos) & 0x1)
// 通过右移操作将目标位移动到最低位
// 然后使用位与操作（&）与1进行运算，以获取最低位的值
2的n次幂
#define Power_Two(n) ((uint32)(0x1UL << (n)))
作用是计算并返回2的n次幂，其中n是函数的参数，表示幂次
0x1UL << (n) 是一个C或C++语言中的表达式，它结合了字面量、类型转换和左移操作符
- 0x1：这是一个十六进制字面量，它等于十进制的 1
- UL：这是两个字符的组合，分别代表 unsigned long 类型的字面量后缀。在这个上下文中，UL 主要用于确保字面量具有足够的位宽来容纳左移操作的结果。
- <<：这是左移操作符。
- 0x1UL << (n) 的意思是：将无符号长整型字面量 1（在二进制中表示为 0000 0001，这里省略了前导零以简化说明）向左移动 n 位。
- 在它原来所在的位置和更高位之间填充了 0。
- 如果 n 是 2，则 0x1UL << (n) 的结果是 4（在二进制中表示为 0000 0100）
对位截取
#define GET_BITS_U32(x, hi, lo) (((x) >> (lo)) & ((1U << ((hi) - (lo) + 1)) - 1))
这是一个宏定义，用于从一个无符号32位整数（x）中提取从低位（lo）到高位（hi，包括）之间的位。这个宏利用了位操作和位掩码的概念来实现其功能。下面是对这个宏的详细解释：
参数说明
x：待操作的无符号32位整数。hi：需要提取的最高位的索引（从0开始计数）。lo：需要提取的最低位的索引（从0开始计数）。
宏的工作原理
- 右移操作：
((x) >> (lo))：这部分将x向右移动lo位。这样做的目的是将目标位段（从lo到hi）移动到最低位（即0到(hi-lo+1)）的位置。 - 生成掩码：
((1U << ((hi) - (lo) + 1)) - 1)1U是一个无符号整数常量，值为1。1U << ((hi) - (lo) + 1)将1向左移动(hi - lo + 1)位。这样做是为了创建一个掩码，这个掩码在第(hi - lo + 1)位上为1，其余位都是0。- 然后通过
-1操作，第(hi - lo + 1)位上为1变为0，第0位到第(hi - lo)位为1。
- 按位与操作：
(((x) >> (lo)) & ((1U << ((hi) - (lo) + 1)) - 1))：最后，将上述两步的结果进行按位与操作。得到从lo位到hi位的截取。
示例
假设x = 0b 1101 0010 1011 0011 0011 0011 0011 0011（二进制表示），hi = 10，lo = 4。
- 首先，
(x >> lo)得到0b0000 1101 0010 1011 0011 0011 0011 0011。 - 然后，
(1U << ((hi) - (lo) + 1)) - 1生成掩码0b0111 1111。 - 最后，两者按位与得到
0b011 0011，这就是从x中提取的从第4位到第10位（包括）的值。
end
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