每天一点C / 位和字节

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。

测试环境：

• Ubuntu 16.04
• gcc version 5.4.0

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。

2) 打开 (设置) 位
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
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
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
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:
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。

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。

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：

int main(void)
{
    int i = 0;

    for (i=0; i<=0x0f; i++)
        printf("%d\n", bitcount(i));

    return 0;
}

运行效果：

$ gcc bit_counts.c -o bit_counts
$ ./bit_counts 
0
1
1
2
1
2
2
3
1
2
2
3
2
3
3
4

代码解析：

• 许多像这样的位问题可以使用查找表格来提高效率和速度。

• 这段代码是以每次 4 位的方式计算数值中为1的位的个数。

相关参考

• 《C Primer Plus 6th》, 15
• 《你必须知道的 495 个 C语言问题》, 20.7
• 《C 和指针》, 5.1.3
• 《C 专家》, NULL
• 《C 和 C++ 程序员面试秘籍》, 5
• 《C 语言解惑》, NULL

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