【C语言】第二课 位运算

运算符	名称	描述	示例	结果（基于示例）
&	按位与	两个位都为1时，结果才为1	5 & 3	1 (0b0001)
`	`	按位或	两个位中只要有一个为1，结果就为1	`5
^	按位异或	两个位相同时为0，不同时为1	5 ^ 3	6 (0b0110)
~	按位取反	将操作数的每一位取反（0变1，1变0）	~5	-6 (依赖位数)
<<	左移	将操作数的二进制位向左移动指定的位数，右边空位补0	5 << 1	10 (0b1010)
>>	右移	将操作数的二进制位向右移动指定的位数，左边空位补符号位（算术右移）或0（逻辑右移）	5 >> 1	2 (0b0010)

🧮 位运算详解与示例

1. 按位与（&）

逐位比较，只有两个对应的位都为1时，结果位才为1。常用于屏蔽（清零）特定位 或检查特定位是否为1。

#include <stdio.h>
int main() {
    unsigned int a = 0b11001100; // 204
    unsigned int b = 0b10101010; // 170
    unsigned int result = a & b; // 0b10001000 (136)
    printf("a & b = 0x%02X\n", result); // 输出: a & b = 0x88
    return 0;
}

2. 按位或（|）

逐位比较，只要两个对应的位中有一个为1，结果位就为1。常用于将特定位设置为1。

#include <stdio.h>
int main() {
    unsigned int a = 0b11001100; // 204
    unsigned int b = 0b10101010; // 170
    unsigned int result = a | b; // 0b11101110 (238)
    printf("a | b = 0x%02X\n", result); // 输出: a | b = 0xEE
    return 0;
}

3. 按位异或（^）

逐位比较，如果两个对应的位不同，则结果位为1；相同则为0。常用于翻转特定位 或交换两个变量的值而不使用临时变量。

#include <stdio.h>
int main() {
    unsigned int a = 0b11001100; // 204
    unsigned int b = 0b10101010; // 170
    unsigned int result = a ^ b; // 0b01100110 (102)
    printf("a ^ b = 0x%02X\n", result); // 输出: a ^ b = 0x66

    // 交换两个变量
    a = a ^ b;
    b = a ^ b; // 等价于 (a ^ b) ^ b = a
    a = a ^ b; // 等价于 (a ^ b) ^ a = b (此时b已经是原来的a)
    printf("After swap: a = %u, b = %u\n", a, b);
    return 0;
}

4. 按位取反（~）

将操作数的每一位取反（0变成1，1变成0）。这是一个单目运算符。

#include <stdio.h>
int main() {
    unsigned int a = 0b00001111; // 15
    unsigned int result = ~a; // 0b11110000 (240) (假设8位)
    // 但实际中unsigned int是32位或64位，结果会很大
    printf("~a (unsigned) = 0x%X\n", result); 

    int b = 15; // 有符号整数
    int signed_result = ~b; // 所有位取反，包括符号位
    printf("~b (signed) = %d\n", signed_result); // 输出: -16
    return 0;
}

注意：对无符号整数和有符号整数进行取反操作，其结果的理解有所不同。

5. 左移（<<）

将操作数的二进制位整体向左移动指定的位数，右边空出的位用0填充。左移一位相当于乘以2（在没有溢出的情况下）。

#include <stdio.h>
int main() {
    unsigned int a = 0b00001111; // 15 (二进制 ...00001111)
    unsigned int result = a << 2; // 0b00111100 (60) (...00111100)
    printf("a << 2 = %u\n", result); // 输出: 60

    int b = 1;
    printf("1 << 31 (on 32-bit system): %d\n", 1 << 31); // 可能产生负数或溢出
    return 0;
}

注意 ：左移操作需要小心溢出 和符号位问题。

6. 右移（>>）

将操作数的二进制位整体向右移动指定的位数。右移一位相当于除以2（对于非负整数，且向下取整）。

• 逻辑右移 ：对于无符号整数，左边空出的位用0填充。
• 算术右移 ：对于有符号整数，左边空出的位通常用符号位填充（即保持符号不变）。

#include <stdio.h>
int main() {
    unsigned int u_num = 0b10001100; // 140 (无符号)
    u_num = u_num >> 2; // 逻辑右移: 0b00100011 (35)
    printf("u_num >> 2 (unsigned) = %u\n", u_num);

    int s_num = -80; // 有符号负数 (其二进制表示是补码形式)
    s_num = s_num >> 2; // 算术右移: 保持符号位，结果仍是负数
    printf("s_num >> 2 (signed) = %d\n", s_num); // 输出: -20
    return 0;
}

⚙️ 位运算在寄存器操作中的应用（逆向工程重点）

在嵌入式系统和驱动开发中，经常需要直接操作硬件寄存器。这些寄存器中的每一个位或几个位可能控制着特定的功能。位运算，尤其是按位与(&)、按位或(|) 结合移位操作(<<, >>)，是实现这种精确控制的利器。

1. 寄存器位操作常用技巧

假设我们有一个32位的控制寄存器 *reg。

• 置位（Set a Bit） ：将特定位置1，而不影响其他位。

  *reg |= (1 << 3);   // 将第3位置1 (从0开始计数)

• 清零（Clear a Bit） ：将特定位清0，而不影响其他位。

  *reg &= ~(1 << 5);  // 将第5位清0

• ** toggle位（Toggle a Bit）**：将特定位翻转（1变0，0变1）。

  *reg ^= (1 << 7);   // 翻转第7位

• 检查位（Check a Bit） ：检查特定位是否为1。

  if (*reg & (1 << 2)) { // 检查第2位是否为1
      // 该位为1
  }

2. 实例：模拟LED控制

假设一个LED由某个GPIO端口寄存器的第5位控制（1点亮，0熄灭）。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h> // 用于sleep函数

// 假设的寄存器地址和映射（实际中根据芯片手册定义）
#define GPIO_OUT_REG (*(volatile unsigned int *)0x40010000)

void turn_on_led() {
    GPIO_OUT_REG |= (1 << 5);  // 第5位置1，点亮LED
}

void turn_off_led() {
    GPIO_OUT_REG &= ~(1 << 5); // 第5位清0，熄灭LED
}

int main() {
    turn_on_led();
    printf("LED is ON\n");
    sleep(1); // 延迟1秒

    turn_off_led();
    printf("LED is OFF\n");
    return 0;
}

说明：

• volatile 关键字告诉编译器该变量的值可能会被硬件或其他线程意外改变，禁止编译器对其进行优化，确保每次访问都从内存读取或写入。
• 实际寄存器地址和位定义需参考具体的芯片数据手册。

🧠 位运算符的优先级

位运算符的优先级有时会带来意想不到的结果。以下是从高到低的优先级顺序（同一行优先级相同）：

优先级	运算符	结合性
最高	~ (按位取反)	右到左
	<<, >>	左到右
	& (按位与)	左到右
	^ (按位异或)	左到右
最低	`	` (按位或)

强烈建议 ：在复杂的表达式中大量使用括号 ()来明确指定运算顺序，避免依赖记忆优先级而引入错误。

// 一个可能令人困惑的例子
int value = 0xFF;
int result = ~value & 0xF; // 等价于 (~value) & 0xF，而不是 ~(value & 0xF)

// 清晰的写法是：
int clear_result = (~value) & 0xF;

💡 位运算的实用技巧

位运算的魅力在于其高效和巧妙。

1. 判断奇偶性

   if (x & 1) {
       // x是奇数
   } else {
       // x是偶数
   }

2. 交换两个变量的值（不借助临时变量）

   a = a ^ b;
   b = a ^ b; // b now = original a
   a = a ^ b; // a now = original b

3. 检查2的幂次

   if ((x & (x - 1)) == 0) {
       // x是2的幂（且x不为0）
   }

4. 提取RGB颜色分量

   unsigned int color = 0x00FF00; // 绿色
   unsigned char red = (color >> 16) & 0xFF;   // 红色分量 0x00
   unsigned char green = (color >> 8) & 0xFF; // 绿色分量 0xFF
   unsigned char blue = color & 0xFF;         // 蓝色分量 0x00

5. 位掩码（Bit Mask）

   使用位掩码可以高效地管理多个布尔状态或选项。

   #define OPTION_A (1 << 0) // 0b00000001
   #define OPTION_B (1 << 1) // 0b00000010
   #define OPTION_C (1 << 2) // 0b00000100
   
   unsigned char flags = 0;
   
   flags |= OPTION_A | OPTION_C; // 设置选项A和C
   if (flags & OPTION_B) { ... } // 检查选项B是否设置
   flags &= ~OPTION_A;           // 清除选项A