位运算

xiaoxiao2021-02-27  594

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一. 位操作基础

基本的位操作符有与、或、异或、取反、左移、右移这6种,它们的运算规则如下所示:

符号

 描述

 运算规则                        by MoreWindows

&      

 与

两个位都为1时,结果才为1

|  

 或    

两个位都为0时,结果才为0

^    

异或

两个位相同为0,相异为1

~   

取反

0变1,1变0

<< 

左移

各二进位全部左移若干位,高位丢弃,低位补0

>> 

右移

各二进位全部右移若干位,对无符号数,高位补0,有符号数,各编译器处理方法不一样,有的补符号位(算术右移),有的补0(逻辑右移)

注意以下几点:

1.  在这6种操作符,只有~取反是单目操作符,其它5种都是双目操作符。

2.  位操作只能用于整形数据,对float和double类型进行位操作会被编译器报错。

3.  对于移位操作,在微软的VC6.0和VS2008编译器都是采取算术称位即算术移位操作,算术移位是相对于逻辑移位,它们在左移操作中都一样,低位补0即可,但在右移中逻辑移位的高位补0而算术移位的高位是补符号位。如下面代码会输出-4和3。

[cpp] view plain copy int a = -15, b = 15;  printf("%d %d\n", a >> 2, b >> 2);  

因为15=0000 1111(二进制),右移二位,最高位由符号位填充将得到0000 0011即3。-15 = 1111 0001(二进制),右移二位,最高位由符号位填充将得到1111 1100即-4(见注1)。

4.  位操作符的运算优先级比较低,因为尽量使用括号来确保运算顺序,否则很可能会得到莫明其妙的结果。比如要得到像1,3,5,9这些2^i+1的数字。写成int a = 1 << i + 1;是不对的,程序会先执行i + 1,再执行左移操作。应该写成int a = (1 << i) + 1;

5.  另外位操作还有一些复合操作符,如&=、|=、 ^=、<<=、>>=。

 

二. 常用位操作小技巧

下面对位操作的一些常见应用作个总结,有判断奇偶、交换两数、变换符号及求绝对值。这些小技巧应用易记,应当熟练掌握。

1.判断奇偶

只要根据最未位是0还是1来决定,为0就是偶数,为1就是奇数。因此可以用if ((a & 1) == 0)代替if (a % 2 == 0)来判断a是不是偶数。

下面程序将输出0到100之间的所有奇数。

[cpp] view plain copy for (i = 0; i < 100; ++i)      if (i & 1)          printf("%d ", i);  putchar('\n');  

2.交换两数

一般的写法是:

[cpp] view plain copy void Swap(int &a, int &b)  {      if (a != b)      {          int c = a;          a = b;          b = c;      }  }  

可以用位操作来实现交换两数而不用第三方变量:

[cpp] view plain copy void Swap(int &a, int &b)  {      if (a != b)      {          a ^= b;          b ^= a;          a ^= b;      }  }  

可以这样理解:

第一步  a^=b 即a=(a^b);

第二步  b^=a 即b=b^(a^b),由于^运算满足交换律,b^(a^b)=b^b^a。由于一个数和自己异或的结果为0并且任何数与0异或都会不变的,所以此时b被赋上了a的值。

第三步 a^=b 就是a=a^b,由于前面二步可知a=(a^b),b=a,所以a=a^b即a=(a^b)^a。故a会被赋上b的值。 再来个实例说明下以加深印象。int a = 13, b = 6;

a的二进制为 13=8+4+1=1101(二进制)

b的二进制为 6=4+2=110(二进制)

第一步 a^=b  a = 1101 ^ 110 = 1011;

第二步 b^=a  b = 110 ^ 1011 = 1101;即b=13

第三步 a^=b  a = 1011 ^ 1101 = 110;即a=6

3.变换符号

变换符号就是正数变成负数,负数变成正数。

如对于-11和11,可以通过下面的变换方法将-11变成11

      1111 0101(二进制) –取反-> 0000 1010(二进制) –加1-> 0000 1011(二进制)

同样可以这样的将11变成-11

      0000 1011(二进制) –取反-> 0000 0100(二进制) –加1-> 1111 0101(二进制)

因此变换符号只需要取反后加1即可。完整代码如下:

[cpp] view plain copy //by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows )    #include <stdio.h>  int SignReversal(int a)  {      return ~a + 1;  }  int main()  {      printf("对整数变换符号 --- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows )  ---\n\n");      int a = 7, b = -12345;      printf("%d  %d\n", SignReversal(a), SignReversal(b));      return 0;  }  

4.求绝对值

位操作也可以用来求绝对值,对于负数可以通过对其取反后加1来得到正数。对-6可以这样:

      1111 1010(二进制) –取反->0000 0101(二进制) -加1-> 0000 0110(二进制)

来得到6。

因此先移位来取符号位,int i = a >> 31;要注意如果a为正数,i等于0,为负数,i等于-1。然后对i进行判断——如果i等于0,直接返回。否之,返回~a+1。完整代码如下:

[cpp] view plain copy //by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows )  int my_abs(int a)  {      int i = a >> 31;      return i == 0 ? a : (~a + 1);  }  

现在再分析下。对于任何数,与0异或都会保持不变,与-1即0xFFFFFFFF异或就相当于取反。因此,a与i异或后再减i(因为i为0或-1,所以减i即是要么加0要么加1)也可以得到绝对值。所以可以对上面代码优化下:

[cpp] view plain copy //by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows )  int my_abs(int a)  {      int i = a >> 31;      return ((a ^ i) - i);  }  

注意这种方法没用任何判断表达式,而且有些笔面试题就要求这样做,因此建议读者记住该方法(^_^讲解过后应该是比较好记了)。

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