一些實(shí)用的C語言小技巧
每天一點(diǎn)C / 位和字節(jié)
正文目錄：
1. 位相關(guān)的運(yùn)算符
2. 位相關(guān)的用法
3. 位字段 (bit field)
4. 怎樣判斷機(jī)器的字節(jié)順序？
5. 怎樣將整數(shù)轉(zhuǎn)換到二進(jìn)制或十六進(jìn)制？
6. 怎樣高效地統(tǒng)計(jì)整數(shù)中為1的位的個(gè)數(shù)？
7. 相關(guān)參考寫作目的：
-
記錄一些 C 語言中位和字節(jié)相關(guān)的操作。
測試環(huán)境：
-
Ubuntu 16.04 -
gcc version 5.4.0
1. 位相關(guān)的運(yùn)算符
1) 取反：～
～(10011010) = (01100101)
運(yùn)算符 ～ 把 1 變?yōu)?0，把 0 變?yōu)?1。
2) 按位與：&
(10010011) & (00111101) = (00010001)
運(yùn)算符 & 通過逐位比較兩個(gè)運(yùn)算對象，生成一個(gè)新值。對于每個(gè)位，只有兩個(gè)運(yùn)算對象中相應(yīng)的位都為 1，結(jié)果才為 1。
3) 按位或：|
(10010011) | (00111101) = (10111111)
運(yùn)算符 | 通過逐位比較兩個(gè)運(yùn)算對象，生成一個(gè)新值。對于每個(gè)位，如果兩個(gè)運(yùn)算對象中有 >=1 的位為 1，結(jié)果就為 1。
4) 按位異或：^
(10010011) ^ (00111101) = (10101110)
運(yùn)算符 ^ 逐位比較兩個(gè)運(yùn)算對象。對于每個(gè)位，如果兩個(gè)運(yùn)算對象中有且只有 1 位 為 1, 結(jié)果為 1。
5) 左移：<<
(10001010) << 2 = (00101000)
運(yùn)算符 << 將其左側(cè)運(yùn)算對象每一位的值向左移動其右側(cè)運(yùn)算對象指定的位數(shù)。左側(cè)運(yùn)算對象移出左末端位的值會被丟棄，用 0 填充空出的位置。
6) 右移：>>
(10001010) >> 2 = (00100010) // 情況1
(10001010) >> 2 = (11100010) // 情況2
運(yùn)算符 >> 將其左側(cè)運(yùn)算對象每一位的值向右移動其右側(cè)運(yùn)算對象指定的位數(shù)。左側(cè)運(yùn)算對象移出右末端位的值丟。
對于無符號類型，用 0 填充空出的位置。
對于有符號類型，其結(jié)果取決于機(jī)器?？粘龅奈恢每赡苡?0 填充，也可能用符號位填充。
2. 位相關(guān)的用法
1) 什么是掩碼？
所謂掩碼指的是一些設(shè)置為開 (1) 或關(guān) (0) 的位組合。
為什么叫掩碼？看下面這個(gè)例子：
#define MASK (1<<1)
flags = flags & MASK;
上面這個(gè)例子中，只有 MASK 中 為1的位才可見，掩碼中的 0 隱藏 (掩蓋) 了 flags 中相應(yīng)的位。
2) 打開 (設(shè)置) 位
有時(shí)，比如在操作硬件寄存器的情況下，需要打開一個(gè)值中的特定位，同時(shí)保持其他位不變。這種情況可以使用按位或運(yùn)算符 | 和一個(gè)掩碼進(jìn)行配合：
#define MASK (1<<1)
flags |= MASK;
3) 關(guān)閉 (清空) 位
在不影響其他位的情況下關(guān)閉指定的位：
#define MASK (1<<1)
flags &= ~MASK;
4) 切換位
切換位指的是打開已關(guān)閉的位，或關(guān)閉已打開的位：
#define MASK (1<<1)
flags ^= MASK;
5) 檢查位
檢查某位的值是否為 1：
#define MASK (1<<1)
(flags & MASK) == MASK
注意，掩碼至少要與其覆蓋的值的寬度相同，要避免符號位帶來的意外，最好在代碼中使用 unsigned int 操作位和字節(jié)。
6) 提取位
移位運(yùn)算符可用于從較大單元中提取一些位，例如提取 RBG 顏色值：
#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 )
位字段通過一個(gè)結(jié)構(gòu)聲明來建立，該結(jié)構(gòu)聲明為每個(gè)字段提供標(biāo)簽，并確定該字段的寬度，在 Linux 驅(qū)動中，某些代碼使用了位字段：
struct ap_queue_status {
unsigned int queue_empty : 1;
...
unsigned int response_code : 8;
unsigned int pad2 : 16;
} aqs;
給字段賦值:
aqs.queue_empty = 0;
aqs.response_code = 0xff;
所賦的值不能超出字段可容納的范圍。
位字段占用的空間：
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));
}
測試結(jié)果：
4 4 // without TEST
4 12 // with TEST
系統(tǒng)會自動判斷出需要幾個(gè) byte 的空間來存儲數(shù)據(jù)，在我的機(jī)器上測試，一個(gè)成員最起碼占用 1 個(gè) byte。
位字段的儲存順序:
取決于機(jī)器。在有些機(jī)器上，存儲的順序是從左往右，而在另一些機(jī)器上，是從右往左。另外，不同的機(jī)器中兩個(gè)字段邊界的位置也有區(qū)別。由于這些原因，位字段通常都不容易移植，我不要求自己寫，但是要求自己會看。
4. 怎樣判斷機(jī)器的字節(jié)順序？
演示 demo：
int main(void)
{
int x = 1;
if (*((char *)&x) == 1)
printf("little - endian\n");
else
printf("big - endian\n");
return 0;
}
運(yùn)行效果：
$ gcc byte_order.c -o byte_order
$ ./byte_order
little - endian
代碼解析：
-
先初始化在內(nèi)存中占用 4 個(gè)字節(jié)的 int 變量。
-
然后獲取int 變量中第 1 個(gè)字節(jié)的地址，等效代碼是：char *px = (char *)&x。
-
最后獲取第 1 個(gè)字節(jié)的值：*px，觀察 *px 是否為 1 就可以知道大小端了。
5. 怎樣將整數(shù)轉(zhuǎn)換到二進(jìn)制或十六進(jìn)制？
演示 demo：
進(jìn)行任意進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換的小函數(shù)：
#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() 中進(jìn)行測試：
int main(void)
{
int a = 20;
printf("%s\n", baseconv(a, 2));
printf("%s\n", baseconv(a, 16));
return 0;
}
運(yùn)行效果：
$ gcc int_conv.c -o int_conv
$ ./int_conv
10100
14
代碼解析：
-
首先需要明確的是：整數(shù)本來就是以二進(jìn)制存儲的，這里說的轉(zhuǎn)換只是指打印的形式。
-
在baseconv() 中的緩沖是 static 的，這有2 個(gè)作用：1) 將緩沖清 0，2) 只有是 static 的緩沖才能在函數(shù)外部被使用。
-
注意 char *p = &retbuf[sizeof(retbuf)-1]?。健?\0' 這個(gè)操作，這里將緩沖的最高位設(shè)置為字符串結(jié)束符，同時(shí)表明了字符串是從高地址向底地址構(gòu)造的，函數(shù)返回緩沖中有效數(shù)據(jù)的起始地址。
-
如果你這樣打?。?/p>
printf("%d %s %s\n", a, baseconv(a, 2), baseconv(a, 16));會得到這樣的結(jié)果：
10100 00。這是因?yàn)椤aseconv() 中的緩沖是 static 的，
baseconv(a, 2)將baseconv(a, 16)沖刷掉了。
6. 怎樣高效地統(tǒng)計(jì)整數(shù)中為1的位的個(gè)數(shù)？
演示 demo：
統(tǒng)計(jì)整數(shù)中為1的位的個(gè)數(shù)的小函數(shù)：
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() 中進(jìn)行測試：
int main(void)
{
int i = 0;
for (i=0; i<=0x0f; i++)
printf("%d\n", bitcount(i));
return 0;
}
運(yùn)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
代碼解析：
-
許多像這樣的位問題可以使用查找表格來提高效率和速度。
-
這段代碼是以每次 4 位的方式計(jì)算數(shù)值中為1的位的個(gè)數(shù)。
相關(guān)參考
-
《C Primer Plus 6th》, 15 -
《你必須知道的 495 個(gè) C語言問題》, 20.7 -
《C 和指針》, 5.1.3 -
《C 專家》, NULL -
《C 和 C++ 程序員面試秘籍》, 5 -
《C 語言解惑》, NULL
思考技術(shù)，也要思考人生
學(xué)習(xí)技術(shù)，更要學(xué)習(xí)如何生活。
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