C之位運算（十五）

        我們在嵌入式的開發(fā)中難免會遇到 C 語言中的位運算符，因為我們需要效率，而位運算恰好效率比別的運算符效率高多了。位運算符直接對 bit 為進行操作，其效率最高。常見的位運算操作如下

        我們在左移和右移時必須要注意：1、左操作數(shù)必須為整數(shù)類型，char 和 short 被隱式轉(zhuǎn)換為 int 后進行移位操作；2、右操作數(shù)的范圍必須為：[0，31]；3、左移運算符 << 將運算數(shù)的二進制位左移，規(guī)則是高位丟棄低位補0；4、右移運算符 >> 把運算數(shù)的二進制位右移，規(guī)則是高位補符號位低位丟棄。

        比如 0x1 << 2 + 3 的值會是多少呢？我們猜想有這么幾種情況：1、先算 0x1 << 2 再把中間結(jié)果加 3，最終結(jié)果為 7；2、先算 2 + 3，所以結(jié)果為 32；3、這么混合的運算會出錯。我們來看個示例代碼，來看看編譯器是如何處理的，代碼如下：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%d\n", 3 << 2); 
    printf("%d\n", 3 >> 1); 
    printf("%d\n", -1 >> 1); 
    printf("%d\n", 0x01 << 2 + 3);
    
    return 0;
}

        我們先來分析下這個代碼，第5行 3 << 2 ==> 11 << 2 ==> 1100 ==> 12；第6行 3 >> 1 ==> 11 >> 1 ==> 1；編譯后結(jié)果如下：

        我們可以看到我們的分析是對的，第8行執(zhí)行的是我們之前分析的第2種結(jié)果。

        我們在 C 語言中應避免位運算符、邏輯運算符和數(shù)學運算符同時出現(xiàn)在一個表達式中；但位運算符、邏輯運算符和數(shù)學運算符需要同時參與運算時，盡量使用括號()來表達計算次序；左移 n 為相當于乘以 2 的 n 次方（同理右移相當于除），但效率比數(shù)學運算符高。

        我們下來看個實現(xiàn)宏函數(shù)交換的功能，這也是筆試中經(jīng)常會遇到的一個題目，代碼如下：

#define SWAP1(a, b)    \
{                      \
    int t = a;         \
    a = b;             \
    b = t;             \
}

        這是我們最常用的一種寫法，但是它需要一個額外變量。我們下面來看個不需要借助額外變量的版本就可以完成的宏函數(shù)，代碼如下：

#define SWAP2(a, b)    \
{                      \
    a = a + b;         \
    b = a - b;         \
    a = a - b;         \
}

        第4 行相當于 b = (a + b) - b ==> b = a；第5行相當于 a = (a + b) - b ==> a = (a + b) - a ==> a = b；這種也可以完成交換功能，但是它的效率似乎不是那么的高，因為要借助于數(shù)學運算。我們再來實現(xiàn)一個基于位運算實現(xiàn)的，代碼如下：

#define SWAP3(a, b)    \
{                      \
    a = a ^ b;         \
    b = a ^ b;         \
    a = a ^ b;         \
}

        我們上面的代碼效率是非常高的，我們來分析下，第 4 行相當于 b = (a ^ b) ^ b ==> b = a； 第5行相當于 a = (a ^ b) ^ b ==> a = (a ^ b) ^ a ==> a = b；這樣也實現(xiàn)了交換的功能。

        位運算與邏輯運算不同之處：1、位運算沒有短路規(guī)則，每個操作數(shù)都參與運算；2、位運算的結(jié)果為整數(shù)，而不是 0 或 1；3、位運算的優(yōu)先級高于邏輯運算優(yōu)先級。

        我們來看看下面這個示例代碼：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int i = 0;
    int j = 0;
    int k = 0;
    
    if( ++i | ++j & ++k )
    {
        printf("Run here...\n");
    }
    
    printf("i = %d\n", i);
    printf("j = %d\n", j);
    printf("k = %d\n", k);
    
    return 0;
}

        我們分析下，第 9 行執(zhí)行完，i、j、k分別就是1了。因為我們這塊是位運算，所以沒有短路規(guī)則。我們來看看編譯結(jié)果：

        是如我們分析的那樣，如果我們第9行換成if( ++i || ++j && ++k ) 這樣，那么便是 i = 1，j = 0， k = 0 了，打印如下

        通過我們今天學習的位運算符，總結(jié)如下：1、位運算符只能用于整數(shù)類型；2、左移和右移運算符的右操作數(shù)范圍必須為[0， 31]；3、位運算沒有短路規(guī)則，所有操作數(shù)均會求值；4、位運算的效率高于四則運算和邏輯運算；5、運算優(yōu)先級：四則運算 > 位運算 > 邏輯運算。后面我們會繼續(xù)對 C 語言的學習。

         歡迎大家一起來學習 C 語言，可以加我QQ：243343083。