C语言按位操作符

在C语言中，按位操作符直接对整数的二进制位（bit）进行操作，常用于底层编程、硬件控制或性能优化场景。以下是按位操作符的详细说明和用法：

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1. 按位操作符列表

操作符	名称	功能描述	示例
&	按位与	对应位均为1时结果为1，否则为0	a & b
`	`	按位或	对应位至少一个为1时结果为1	`a	b`
^	按位异或	对应位不同时结果为1，相同时为0	a ^ b
~	按位取反	所有位取反（0变1，1变0）	~a
<<	左移	所有位向左移动，低位补0	a << n
>>	右移	所有位向右移动，高位补符号位或0	a >> n

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2. 按位操作符详解

(1) 按位与（&）

• 功能：逐位比较两个操作数，只有当对应位均为1时，结果的该位为1。

• 示例：

  int a = 5;    // 二进制: 0101
  int b = 3;    // 二进制: 0011
  int c = a & b; // 结果: 0001 (十进制1)
  printf("%d\n", c); // 输出: 1

• 典型用途：

  • 掩码操作（提取某些位）。

  • 判断奇偶（a & 1 结果为1则是奇数，0则是偶数）。

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(2) 按位或（|）

• 功能：逐位比较两个操作数，只要对应位有一个为1，结果的该位为1。

• 示例：

  int a = 5;    // 0101
  int b = 3;    // 0011
  int c = a | b; // 0111 (十进制7)
  printf("%d\n", c); // 输出: 7

• 典型用途：

  • 设置某些位为1（如权限控制）。

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(3) 按位异或（^）

• 功能：逐位比较两个操作数，对应位不同时结果为1，相同时为0。

• 示例：

  int a = 5;    // 0101
  int b = 3;    // 0011
  int c = a ^ b; // 0110 (十进制6)
  printf("%d\n", c); // 输出: 6

• 特性：

  • 任何数异或自己结果为0（a ^ a = 0）。

  • 异或0等于原数（a ^ 0 = a）。

• 典型用途：

  • 交换两个变量的值（无需临时变量）：

    a = a ^ b;
    b = a ^ b;
    a = a ^ b;

  • 数据加密/简单校验。

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(4) 按位取反（~）

• 功能：对操作数的所有位取反（0变1，1变0）。

• 示例：

  int a = 5;    // 二进制: 0000 0101
  int b = ~a;   // 取反: 1111 1010 (补码表示，实际值为-6)
  printf("%d\n", b); // 输出: -6

• 注意：

  • 结果取决于变量的类型（如unsigned int和int的结果可能不同）。

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(5) 左移（<<）

• 功能：将操作数的所有位向左移动指定位数，低位补0。

• 示例：

  int a = 3;    // 二进制: 0011
  int b = a << 2; // 左移2位: 1100 (十进制12)
  printf("%d\n", b); // 输出: 12

• 特性：

  • 左移1位相当于乘以2（a << n ≈ a * 2^n）。

• 用途：

  • 快速计算2的幂次。

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(6) 右移（>>）

• 功能：将操作数的所有位向右移动指定位数，高位补符号位（算术右移）或0（逻辑右移）。

• 示例：

  int a = 16;   // 二进制: 0001 0000
  int b = a >> 2; // 右移2位: 0000 0100 (十进制4)
  printf("%d\n", b); // 输出: 4

• 特性：

  • 右移1位相当于除以2（a >> n ≈ a / 2^n）。

• 注意：

  • 对有符号数，右移行为依赖编译器（通常补符号位）。

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3. 常见应用场景

1. 掩码操作（提取/设置特定位）

   // 提取低4位
   int mask = 0x0F; // 0000 1111
   int value = 0x5A; // 0101 1010
   int low_bits = value & mask; // 0000 1010 (0xA)

2. 快速乘除2的幂次

   int a = 10;
   int double_a = a << 1; // 20
   int half_a = a >> 1;   // 5

3. 交换变量（无临时变量）

   int x = 10, y = 20;
   x = x ^ y;
   y = x ^ y;
   x = x ^ y;

4. 权限控制（用位表示开关）

   #define READ   0x1  // 0001
   #define WRITE  0x2  // 0010
   #define EXEC   0x4  // 0100
   
   int permissions = READ | WRITE; // 0011 (可读可写)
   if (permissions & READ) { ... } // 检查读权限

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4. 注意事项

1. 区分逻辑操作符（&&、||）和按位操作符（&、|）

   • 逻辑操作符返回0或1，按位操作符返回整数。

   • 示例：

     int a = 2, b = 3;
     printf("%d\n", a & b);  // 按位与: 2 (二进制 10 & 11 = 10)
     printf("%d\n", a && b); // 逻辑与: 1 (因为a和b均非零)

2. 移位操作的未定义行为

   • 如果右移负数或左移超过位数，结果可能未定义（编译器依赖）。

3. 无符号数右移补0

   • 对unsigned int，右移高位补0；对signed int，通常补符号位。

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5. 总结

操作符	用途	示例
&	掩码、判断奇偶	a & 0x01
`	`	设置特定位	`flags	READ`
^	交换变量、简单加密	a ^ b
~	位取反	~a
<<	快速乘以2的幂次	a << 3
>>	快速除以2的幂次	a >> 2

按位操作符是C语言底层编程的核心工具，合理使用可以提升代码效率和灵活性。