from HackerMonthly-issue15 By Peteris Krumins 我准备写一篇关于嵌入系统开发者所熟知的有关位运算技巧的文章. 位运算技巧可以巧妙有效的操作整数.在如计算一个整数中包含多少个1之类的操作时,这些技巧可以只用几个位操作符搞定. 假定你已具备2的补码和位
from HackerMonthly-issue15
By Peteris Krumins
我准备写一篇关于嵌入系统开发者所熟知的有关位运算技巧的文章. 位运算技巧可以巧妙有效的操作整数.在如计算一个整数中包含多少个1之类的操作时,这些技巧可以只用几个位操作符搞定.
假定你已具备2的补码和位运算操作的知识.
下面的文章将使用以下简写:
& - and
| - or
^ - xor
~ - not
<< - 左移
>> - 右移
本文里的整数指 8bit (虽然也适用于任意长度的有符号整数) 的有符号整数,我们用 x 表示,结果用 y 表示, x 的每个bit 有 b7,b6,b5,b4,b3,b2,b1 和 b0,符号位 b7 为最高位,b0为最低位.
我将从最常用的技巧开始,然后渐渐趋于更难的技巧.并使用示例代码解释每个技巧的工作原理.
位运算技巧1: 判断一个整数奇偶
if ((x & 1) == 0) {
x is even
}
else {
x is odd
}
我相信所有人都见过这个,它的原理是判断最后一个bit b0如果是1的话就是奇数. 用1 and x 将消除除b0以外的位,那么如果结果为0 x即为偶数,否则x 为奇数.
来看些例子,比如43,是一个奇数,用二制表示即 00101011. 它的最后一位b0 是1,将它和1 作AND 操作:
00101011
& 00000001
--------
00000001
可以看到 AND 抹掉了b1-b7,但b0依然保持原样,运算的最终结果是1,告诉我们它是他奇数.
那么我们再看看-43,提醒一下,在2的补码表示方法,对一个正整数取负的步骤是反转每一位然后加1,所以-43的二进制表示为11010101.再次强调一下最后一个bit是1,所以是奇数.(如果我们用1的补码就不正确了)
再看一个偶数98,其二进制表示是 1100010
01100010
& 00000001
--------
00000000
AND的结果是0,意味着98的b0是0,指定的整数为偶数.
-98二进制表示为 10011110. 同样b0 为0,AND后结果为0
位运算技巧2: 判断第n位是否置1.
if (x & (1< n-th bit is set
}
else {
n-th bit is not set
}
在前面的技巧中,我们看到(x&1)测试第一个位是否置1.这个技巧更进一步可以判断第n位是否置1.方法是向左移n位再求AND,这会抹掉除第n位的其他位.
下面演示了左移的效果.
1 00000001 (等同于 1<<0)
1<<1 00000010
1<<2 00000100
1<<3 00001000
1<<4 00010000
1<<5 00100000
1<<6 01000000
1<<7 10000000
好,我们将左移n位后再和x AND,就快速抹掉x除了第n位的其他位.如果AND后结果为0,那么那个位一定是0,否则就是置1的
看几个例子.
122的第三位是否有值,下面这个操作会找到答案:
122 & (1<<3)
122的二进制表示01111010,1<<3 为 00001000.
01111010
& 00001000
--------
00001000
可以看到最终结果不是0,所以122的第三位是置1
那么-33的第5位是否置1呢?
11011111 (-33 in binary)
& 00100000 (1<<5)
--------
00000000
结果是0,所以第5位是未置1的.
技巧3 将第n位置1
y = x | (1<
这个技巧结合了1<
假设一个数 120,我们想将它的第2位置1.
01111000 (120 in binary)
| 00000100 (1<<2)
--------
01111100
再试试将-120第6位置1
10001000 (-120 in binary)
| 01000000 (1<<6)
--------
11001000
技巧4 : 将第n位置0
y = x & ~(1<
这个玩法最核心的部分是~(1<
~1 11111110 (same as ~(1<<0))
~(1<<1) 11111101
~(1<<2) 11111011
~(1<<3) 11110111
~(1<<4) 11101111
~(1<<5) 11011111
~(1<<6) 10111111
~(1<<7) 01111111
不管第n位是0还是1,x和这些数AND 的效果都是将第n位置0.
看下面的例子,将127的第4位置0
01111111 (127 in binary)
& 11101111 (~(1<<4))
--------
01101111
技巧5: 反转第n位
y = x ^ (1<
这个玩法同样使用将第n位置1的技巧,但是用的是XOR操作,一个位和另一个位进行XOR,如果它们相同那么结果是0,否则为1.那么怎么切换第n位了? 如果第n位是1,和1 XOR后,1变成0,反之0和1 XOR 结果为1.所以位反转了.
下面这个例子演示了怎么将01110101 第5位反转:
01110101
^ 00100000
--------
01010101
如果第5位已经是0了呢?
01010101
^ 00100000
--------
01110101
看出端倪了没?XOR两次又还原了. 巧妙的XOR常被用来计算RAID阵列的奇偶校验和简单的加密函数中和其他方面
技巧6: 将最右边的1置0
y = x & (x-1)
终于来点有趣的了! 说实在的,前5个玩法有点无聊.
这个玩法将最后一个1置0,例如 00101010,变为00101000. 或者00010000,变为0.
例:
01010111 (x)
& 01010110 (x-1)
--------
01010110
01011000 (x)
& 01010111 (x-1)
--------
01010000
10000000 (x = -128)
& 01111111 (x-1 = 127 (溢出))
--------
00000000
11111111 (x = 都是1 1)
& 11111110 (x-1)
--------
11111110
00000000 (x 没有是1的位)
& 11111111 (x-1)
--------
00000000
那它的原理是呢?
如果你稍加思索,你就会发现有下面两种情况:
1. 位列中有1. 减1会将低位变为1并将最后一个1的位变0.这步再和原来的值AND屏蔽了从最后一个1的后面部分.
2.位列中没有1都是0.这是减去1将溢出所有位都变成1. 和都是0的位列AND 还是0.
技巧7 拨离最右边的1
y = x & (-x)
这个玩法找到最右边的一个1并将其他位置0,例如01010100,转换后为00000100.
例:
10111100 (x)
& 01000100 (-x)
--------
00000100
01110000 (x)
& 10010000 (-x)
--------
00010000
00000001 (x)
& 11111111 (-x)
--------
00000001
10000000 (x = -128)
& 10000000 (-x = -128)
--------
10000000
11111111 (x = all bits one)
& 00000001 (-x)
--------
00000001
00000000
& 00000000 (-x)
--------
00000000
这个技巧归功于2的补码,在2的补码中-x和~x+1.
技巧8: 将右边第一个1后的位全置1
y = x | (x-1)
这个最好结合例子来理解. 将01010000 变成 01011111.从右边第一个1开始,后面的0全变成了1.
这不是一个完美的技巧,当x=0时,结果都是1
例:
10111100 (x)
| 10111011 (x-1)
--------
10111111
01110111 (x)
| 01110110 (x-1)
--------
01110111
00000001 (x)
| 00000000 (x-1)
--------
00000001
10000000 (x = -128)
| 01111111 (x-1 = 127)
--------
11111111
11111111 (x = -1)
| 11111110 (x-1 = -2)
--------
11111111
00000000 (x)
| 11111111 (x-1)
--------
11111111
技巧9: 拨离最右边的第一个0
这个技巧和第7个的相反.找到最右的0,将它置1并将其他位置0. 例如 将10101011,转换成00000100.
更多的例子:
--------
10001000 (~x)
& 01111000 (x+1)
--------
00001000
00000001 (x)
--------
11111110 (~x)
& 00000010 (x+1)
--------
00000010
10000000 (x = -128)
--------
01111111 (~x)
& 10000001 (x+1)
--------
00000001
11111111 (x = no rightmost 0-bit)
--------
00000000 (~x)
& 00000000 (x+1)
--------
00000000
00000000 (x)
--------
11111111 (~x)
& 00000001 (x+1)
--------
00000001
技巧10: 将最右边0位置1
y = x | (x+1)
将最右边的0置1.如将10100011 转换为 10100111.
更多的例子:
10111100 (x)
| 10111101 (x+1)
--------
10111101
01110111 (x)
| 01111000 (x+1)
--------
01111111
00000001 (x)
| 00000010 (x+1)
--------
00000011
10000000 (x = -128)
| 10000001 (x+1)
--------
10000001
11111111 (x = no rightmost 0-bit)
| 00000000 (x+1)
--------
11111111
00000000 (x)
| 00000001 (x+1)
--------
00000001
其他内容:
如果你对其他位操作技巧感兴趣,下面有一些Python,C的代码方便打印8位的符号整数
Python 代码:
def int_to_bin(num, bits=8):
r = ''
while bits:
r = ('1' if num&1 else '0') + r
bits = bits - 1
num = num >> 1
print r
C代码:
void int_to_bin(int num) {
char str[9] = {0};
int i;
for (i=7; i>=0; i--) {
str[i] = (num&1)?'1':'0';
num >>= 1;
}
printf("%s\n", str);
}
