一些 C 语言中位和字节相关的操作

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gaosmile 发布时间：2020-7-31 21:27

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正文目录：

1. 位相关的运算符
2. 位相关的用法
3. 位字段 (bit field)
4. 怎样判断机器的字节顺序？
5. 怎样将整数转换到二进制或十六进制？
6. 怎样高效地统计整数中为1的位的个数？
7. 相关参考

写作目的：

记录一些 C 语言中位和字节相关的操作。# U8 ]- z7 b! w) Z, x

测试环境：

Ubuntu 16.04
gcc version 5.4.05 f% a" u4 F5 W

1. 位相关的运算符

1) 取反：～

～(10011010) = (01100101)

运算符～把 1 变为 0，把 0 变为 1。

2) 按位与：&

(10010011) & (00111101) = (00010001)

运算符 & 通过逐位比较两个运算对象，生成一个新值。对于每个位，只有两个运算对象中相应的位都为 1，结果才为 1。

3) 按位或：|

(10010011) | (00111101) = (10111111)

运算符 | 通过逐位比较两个运算对象，生成一个新值。对于每个位，如果两个运算对象中有 >=1 的位为 1，结果就为 1。

4) 按位异或：^

(10010011) ^ (00111101) = (10101110)

运算符 ^ 逐位比较两个运算对象。对于每个位，如果两个运算对象中有且只有 1 位为 1, 结果为 1。

5) 左移：<<

(10001010) << 2 = (00101000)

运算符 << 将其左侧运算对象每一位的值向左移动其右侧运算对象指定的位数。左侧运算对象移出左末端位的值会被丢弃，用 0 填充空出的位置。

6) 右移：>>

(10001010) >> 2 = (00100010) // 情况1
(10001010) >> 2 = (11100010) // 情况2

运算符 >> 将其左侧运算对象每一位的值向右移动其右侧运算对象指定的位数。左侧运算对象移出右末端位的值丢。

对于无符号类型，用 0 填充空出的位置。

对于有符号类型，其结果取决于机器。空出的位置可能用 0 填充，也可能用符号位填充。

2. 位相关的用法

1) 什么是掩码？

所谓掩码指的是一些设置为开 (1) 或关 (0) 的位组合。

为什么叫掩码？看下面这个例子：

#define MASK (1<<1)
flags = flags & MASK;

上面这个例子中，只有 MASK 中为1的位才可见，掩码中的 0 隐藏 (掩盖) 了 flags 中相应的位。

mask.png

2) 打开 (设置) 位
0 P' D% u" C: Q7 ^/ |2 G9 d有时，比如在操作硬件寄存器的情况下，需要打开一个值中的特定位，同时保持其他位不变。这种情况可以使用按位或运算符 | 和一个掩码进行配合：

#define MASK (1<<1)
flags |= MASK;

3) 关闭 (清空) 位: D) R+ |4 D7 R2 d; p
在不影响其他位的情况下关闭指定的位：

#define MASK (1<<1)
flags &= ~MASK;

4) 切换位
) ? }0 [) }( I! i* ^( e* w! f切换位指的是打开已关闭的位，或关闭已打开的位：

#define MASK (1<<1)
flags ^= MASK;

5) 检查位
, }% c2 o6 M* v! X9 B% E/ s& I检查某位的值是否为 1：

#define MASK (1<<1)
(flags & MASK) == MASK

注意，掩码至少要与其覆盖的值的宽度相同，要避免符号位带来的意外，最好在代码中使用 unsigned int 操作位和字节。

6) 提取位

移位运算符可用于从较大单元中提取一些位，例如提取 RBG 颜色值：

#define BYTE_MASK 0xff
unsigned long color = 0x123456;
unsigned char blue, green, red;
red = color & BYTE_MASK;
green = (color >> 8) & BYTE_MASK;
blue = (color >> 16) & BYTE_MASK;

3. 位字段 ( bit field )

位字段通过一个结构声明来建立，该结构声明为每个字段提供标签，并确定该字段的宽度，在 Linux 驱动中，某些代码使用了位字段：

struct ap_queue_status {
unsigned int queue_empty : 1;
...
unsigned int response_code : 8;
unsigned int pad2 : 16;
} aqs;

给字段赋值:

aqs.queue_empty = 0;
aqs.response_code = 0xff;

所赋的值不能超出字段可容纳的范围。

位字段占用的空间：

struct {
unsigned int autfd : 1;
unsigned int bldfc : 1;
unsigned int undln : 1;
unsigned int itals : 1;
} prnt;

struct {
unsigned int code1 : 2;
unsigned int code2 : 2;
unsigned int code3 : 6;
unsigned int code4 : 8;
#if TEST
unsigned int code5 : 10;
unsigned int code6 : 12;
unsigned int code7 : 24;
#endif
} prcode;

int main(void)
{
printf("%ld %ld\n", sizeof(prnt), sizeof(prcode));
}

测试结果：

4 4 // without TEST
4 12 // with TEST

系统会自动判断出需要几个 byte 的空间来存储数据，在我的机器上测试，一个成员最起码占用 1 个 byte。

位字段的储存顺序:
: s3 \( H+ X+ K取决于机器。在有些机器上，存储的顺序是从左往右，而在另一些机器上，是从右往左。另外，不同的机器中两个字段边界的位置也有区别。由于这些原因，位字段通常都不容易移植，我不要求自己写，但是要求自己会看。

4. 怎样判断机器的字节顺序？

演示 demo：

int main(void)
{
int x = 1;

if (*((char *)&x) == 1)
printf("little - endian\n");
else
printf("big - endian\n");

return 0;
}

运行效果：

$ gcc byte_order.c -o byte_order
$ ./byte_order
little - endian

代码解析：

先初始化在内存中占用 4 个字节的 int 变量。
然后获取int 变量中第 1 个字节的地址，等效代码是：char *px = (char *)&x。
最后获取第 1 个字节的值：*px，观察 *px 是否为 1 就可以知道大小端了。
# ~. F/ J$ r% o6 D) @$ j

5. 怎样将整数转换到二进制或十六进制？

演示 demo：

进行任意进制数转换的小函数：

#define BUF_SIZE (33)
char *baseconv(unsigned int num,int base)
{
static char retbuf[BUF_SIZE];
char *p;

...

p = &retbuf[sizeof(retbuf)-1];
*p='\0';

do {
*--p="0123456789abcdef"[num % base];
num /=base;
} while(num !=0);

return p;
}

在 main() 中进行测试：

int main(void)
{
int a = 20;

printf("%s\n", baseconv(a, 2));
printf("%s\n", baseconv(a, 16));

return 0;
}

运行效果：

$ gcc int_conv.c -o int_conv
$ ./int_conv
10100
14

代码解析：

首先需要明确的是：整数本来就是以二进制存储的，这里说的转换只是指打印的形式。
在baseconv() 中的缓冲是 static 的，这有2 个作用：1) 将缓冲清 0，2) 只有是 static 的缓冲才能在函数外部被使用。
注意　char *p = &retbuf[sizeof(retbuf)-1]　＝　'\0' 这个操作，这里将缓冲的最高位设置为字符串结束符，同时表明了字符串是从高地址向底地址构造的，函数返回缓冲中有效数据的起始地址。
如果你这样打印：
printf("%d %s %s\n", a, baseconv(a, 2), baseconv(a, 16));
会得到这样的结果：10100 00。
这是因为　baseconv() 中的缓冲是 static 的， baseconv(a, 2)　将 baseconv(a, 16) 冲刷掉了。

& B/ P5 L- W/ R3 u, I/ Q9 J! |) ~

6. 怎样高效地统计整数中为1的位的个数？

演示 demo：

统计整数中为1的位的个数的小函数：

static int bitcounts[] = {0,1,1,2,1,2,2,3,1,2,2,3,2,3,3,4};

int bitcount(unsigned int u)
{
int n=0;

for(; u!=0; u>>=4)
n += bitcounts[u & 0x0f];

return n;
}

在 main() 中进行测试：