每天一點C / 位和字節(jié)

正文目錄：

1. 位相關的運算符
2. 位相關的用法
3. 位字段 (bit field)
4. 怎樣判斷機器的字節(jié)順序？
5. 怎樣將整數轉換到二進制或十六進制？
6. 怎樣高效地統(tǒng)計整數中為1的位的個數？
7. 相關參考

寫作目的：

• 記錄一些 C 語言中位和字節(jié)相關的操作。

測試環(huán)境：

• Ubuntu 16.04
• gcc version 5.4.0

1. 位相關的運算符

1) 取反：～

～(10011010) =  (01100101)

運算符 ～ 把 1 變?yōu)?0，把 0 變?yōu)?1。

2) 按位與：&

(10010011) & (00111101) = (00010001)

運算符 & 通過逐位比較兩個運算對象，生成一個新值。對于每個位，只有兩個運算對象中相應的位都為 1，結果才為 1。

3) 按位或：|

(10010011) | (00111101) = (10111111)

運算符 | 通過逐位比較兩個運算對象，生成一個新值。對于每個位，如果兩個運算對象中有 >=1 的位為 1，結果就為 1。

4) 按位異或：^

(10010011) ^ (00111101) = (10101110)

運算符 ^ 逐位比較兩個運算對象。對于每個位，如果兩個運算對象中有且只有 1 位 為 1, 結果為 1。

5) 左移：<<

(10001010) << 2 = (00101000)

運算符 << 將其左側運算對象每一位的值向左移動其右側運算對象指定的位數。左側運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

運算符 >> 將其左側運算對象每一位的值向右移動其右側運算對象指定的位數。左側運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，其結果取決于機器。空出的位置可能用 0 填充，也可能用符號位填充。

2. 位相關的用法

1) 什么是掩碼？

所謂掩碼指的是一些設置為開 (1) 或關 (0) 的位組合。

為什么叫掩碼？看下面這個例子：

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

上面這個例子中，只有 MASK 中 為1的位才可見，掩碼中的 0 隱藏 (掩蓋) 了 flags 中相應的位。

2) 打開 (設置) 位
有時，比如在操作硬件寄存器的情況下，需要打開一個值中的特定位，同時保持其他位不變。這種情況可以使用按位或運算符 | 和一個掩碼進行配合：

#define MASK (1<<1)
flags |= MASK;

3) 關閉 (清空) 位
在不影響其他位的情況下關閉指定的位：

#define MASK (1<<1)
flags &= ~MASK;

4) 切換位
切換位指的是打開已關閉的位，或關閉已打開的位：

#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 )

位字段通過一個結構聲明來建立，該結構聲明為每個字段提供標簽，并確定該字段的寬度，在 Linux 驅動中，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));
}

測試結果：

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

系統(tǒng)會自動判斷出需要幾個 byte 的空間來存儲數據，在我的機器上測試，一個成員最起碼占用 1 個 byte。

位字段的儲存順序:
取決于機器。在有些機器上，存儲的順序是從左往右，而在另一些機器上，是從右往左。另外，不同的機器中兩個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;
}

運行效果：

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

代碼解析：

• 先初始化在內存中占用 4 個字節(jié)的 int 變量。

• 然后獲取int 變量中第 1 個字節(jié)的地址，等效代碼是：char *px = (char *)&x。

• 最后獲取第 1 個字節(jié)的值：*px，觀察 *px 是否為 1 就可以知道大小端了。

5. 怎樣將整數轉換到二進制或十六進制？

演示 demo：

進行任意進制數轉換的小函數：

#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() 中進行測試：

int main(void)
{
    int a = 20;

    printf("%s\n", baseconv(a, 2));
    printf("%s\n", baseconv(a, 16));
    
    return 0;
}

運行效果：

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

代碼解析：

• 首先需要明確的是：整數本來就是以二進制存儲的，這里說的轉換只是指打印的形式。

• 在baseconv() 中的緩沖是 static 的，這有2 個作用：1) 將緩沖清 0，2) 只有是 static 的緩沖才能在函數外部被使用。

• 注意　char *p = &retbuf[sizeof(retbuf)-1]?。健?\0' 這個操作，這里將緩沖的最高位設置為字符串結束符，同時表明了字符串是從高地址向底地址構造的，函數返回緩沖中有效數據的起始地址。

• 如果你這樣打?。?/p>

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

  會得到這樣的結果：10100 00。

  這是因為　baseconv() 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)計整數中為1的位的個數？

演示 demo：

統(tǒng)計整數中為1的位的個數的小函數：

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() 中進行測試：

int main(void)
{
    int i = 0;

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

    return 0;
}

運行效果：

$ 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 位的方式計算數值中為1的位的個數。

相關參考

• 《C Primer Plus 6th》, 15
• 《你必須知道的 495 個 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

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