第十二章 计算机

第十二章位运算
前面介绍的各种运算都是以字节作为最基本位进行的。

但在很多系统程序中常要求在位(bit)一级进行运算或处理。

C语言提供了位运算的功能，这使得C语言也能像汇编语言一样用来编写系统程序。

所谓位运算是指进行二进制位的运算。

12.1 位运算符和位运算
1.按位与── &
⑴格式：x&y
⑵规则：对应位均为1时才为1，否则为0。

例如：3&9=1 0011
& 1001
0001 = 1
⑶主要用途：取(或保留)1个数的某(些)位，其余各位置0。

a:001001000101 581
b:000000001111 15
c:000000000101 5
2.按位或──|
⑴格式：x|y
⑵规则：对应位均为0时才为0，否则为1。

例如：3|9=11： 0011
| 1001
1011 = 11
⑶主要用途：将1个数的某(些)位置1，其余各位不变。

a:001001000101 581
b:000000001111 15
d:001001001111 591
3.按位异或── ^
⑴格式：x^y
⑵规则：对应位相同时为0，不同时为1。

⑶主要用途：使1个数的某(些)位翻转，即原来为1的位变为0，为0的变为1，其余各位不变。

a:001001000101 581
b:000000001111 15
e:001001001010 586(使低4位进行了翻转)
ll1.c
交换2个变量不使用临时变量
如：a＝5，b＝6；
a=a^b;
b=b^a;
a=a^b;
00000101 a
^ 00000110 b
a=00000011
^ 00000110 b
b=00000101
^ 00000011
a=00000110
4.按位取反── ~
⑴格式：~x
⑵规则：各位翻转，即原来为1的位变成0，原来为0的位变成1。

⑶主要用途：间接地构造一个数，以增强程序的可移植性。

例如：
将一个数的最后一位设置为0在不同计算机上数字所占的内存空间大小不同。

如16位计算机：a=a&0177776可以实现
在32位计算机上则无法实现故可以写为a=a&~1
5.按位左移── <<
⑴格式：x<< 位数
⑵规则：使操作数的各位左移，低位补0，高位溢出。

例如：5<<2 00000101<<2 = 00010100 = 20
6.按位右移── >>
⑴格式：x>>位数
⑵规则：使操作数的各位向右移，移出的低位舍弃；高位：①对无符号数和有符号中的正数，补0；
②负数取决于所使用的系统：补0的称为
“逻辑右移”，补1的称为“算术右移”。

例如：20 >> 2=5。

w1.c
7.对于位运算的说明
⑴x、y和“位数”等操作数，都只能是整型或字符型数据。

除按位取反为单目运算符外，其余均为双目运算符。

⑵参与运算时，操作数x和y，都必须首先转换成二进制形式，然后再执行相应的按位运算。

⑶实现 &、|、^运算主要用途的方法：
①构造1个整数：该数在要取（或保留）的位、或
要置1的位、或要翻转的位上为1，其余均为0。

②进行相应的位运算。

⑷实现按位取反主要用途的方法：
①求~0，间接地构造一个全1的数。

②按需要进行左移或右移操作，构造出所需要的
数。

12.2 位运算举例
例1：从键盘上输入1个正整数，输出由8～11位构成的数（从低位、0号开始编号）。

例2：从键盘上输入1个正整数，按二进制位输出该数。

12.3 位段
有时存储1个信息不必占用1个字节，只需二进制的1个(或多个)位就够用。

如果仍然使用结构类型,会造成内存空间的浪费。

为此，C语言引入了位段。

1.位段的概念与定义
C语言中允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占的内存长度，这种以位为单位的成员称为“位段”或“位域”。

例如，CPU的状态寄存器，按位段类型定义如下：struct status
{ unsigned sign: 1; /*符号标志*/
unsigned zero: 1; /*零标志*/
unsigned carry: 1; /*进位标志*/
unsigned parity: 1; /*奇偶/溢出标志*/
unsigned half_carry: 1; /*半进位标志*/
unsigned negative: 1; /*减标志*/
} flags;
显然，对CPU的状态寄存器而言，使用位段类型
(仅需1个字节)，比使用结构类型(需要6个字节)节
省了5个字节。

2.说明
⑴位段成员的类型必须是unsigned或int型。

⑵使用长度为0的无名位段，可使其后续位段从下1
个字节开始存储。

例如，
struct status
{ unsigned sign: 1; /*符号标志*/
unsigned zero: 1; /*零标志*/
unsigned carry: 1; /*进位标志*/
unsigned : 0; /*长度为0的无名位段*/ unsigned parity: 1; /*奇偶/溢出标志*/
unsigned half_carry: 1; /*半进位标志*/
unsigned negative: 1; /*减标志*/
} flags;
原本6个标志位是连续存储在1个字节中的。

由
于加入了1个长度为0的无名位段，所以其后的3个
位段，从下1个字节开始存储，一共占用2个字节。

⑶1个位段必须存储在1个存储单元（通常为1字节）中，不能跨2个。

如果本单元不够容纳某位段，则从下一个单元开始存储该位段。

⑷可以定义无名位段，表示该位段所占的空间不用。

⑸位段的长度不能超过存储单元的长度，也不可以定义位段数组。

⑹可以用%d、%x、%u和%o等格式字符，以整数形式输出位段。

⑺在数值表达式中引用位段时，系统自动将位段转换为整型数据。