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C++移位运算符

关于逻辑移位、算术移位可參见迅雷深大笔试题部分。的一道题。

曾经看到C++标准上说,移位运算符(<<、>>)出界时的行为并不确定:

The behavior is undefined if the right operand is negative, orgreater than or equal to the length in bits of the promoted left operand.

我当时也没有深究过这个问题。前几天有个网友来信问起这件事,我才发现,这和IntelCPU的移位运算有关。以下是那位网友的来信以及我的回复:

 

您好!运算符<<作为位操作中的高效的操作,但我遇到一个问题:以下在VC环境下发现一个非常不明确的地方,以下标注。

#include <stdio.h>

void main()

{

   unsigned int i,j;

   i=35;

 

   //为什么以下两个左移操作结果不一样?

   j=1<<i;  // j为8

   j=1<<35; // j为0

}

不知是哪里没有理解对。

 

原因是这种:i=35;j=1<<i;这两句在VC没有做优化的情况下,将被编译成以下的机器指令:

mov dword ptr [i],23h

mov eax,1

mov ecx,dword ptr [i]

shl eax,cl

mov dword ptr [j],eax

在shl一句中,eax=1,cl=35。而IntelCPU运行shl指令时,会先将cl与31进行and操作,以限制左移的次数小于等于31。由于35 & 31 =3,所以这种指令相当于将1左移3位,结果是8。

而j=1<<35;一句是常数运算,VC即使不做优化,编译器也会直接计算1<<35的结果。VC编译器发现35大于31时,就会直接将结果设置为0。这行代码编译产生的机器指令是:

mov dword ptr [j],0

对上面这两种情况,假设把VC编译器的优化开关打开(比方编译成Release版本号),编译器都会直接将结果设置为0。

所以,在C/C++语言中,移位操作不要超过界限,否则,结果是不可预期的。

以下是Intel文档中关于shl指令限制移位次数的说明:

The destination operand can be a register or a memory location.The count operand can be an immediate value or register CL. The count is maskedto 5 bits, which limits the count range to 0 to 31. A special opcode encodingis provided for a count of 1.


1.掩码

就是一串2进制 对目标字段进行位与运算,屏蔽当前的输入位。

将源代码与掩码经过逻辑运算得出新的操作数。当中要用到逻辑运算如OR运算。AND运算。用于如将ASCLL码中大写字母改作小写字母。

2.与 或 异或 转换成补码运算

3.  使用方法:掩码 (&)

4. 使用方法:打开位 (|)

5.使用方法:关闭位 (&~)

6. 使用方法:转置位 (^)

7. 将Value的第bit_number位置1       Value |= 1 << bit_number;

8. 将Value的第bit_number位置0       Value &= ~( 1 << bit_number );

9.value & 1 << bit_number 假设该位置已被置为1,则表达式的结果为非零值

 

C/C ++提供位逻辑运算符和移位运算符。二者仅仅能用于整形和字符型。位运算符是对每位进行操作而不影响左右两位,这有别于常规运算符(&&|| !)是将整个数进行操作的。

一.    位逻辑运算符

1.    ~ 按位取反

将1变为0,将0变为1

EG:

~(10011010)

(01100101)

注:

VC++编译器,计算~10,得出的结果是-11。为什么不是5呢

10的二进制表示为1010,按位取反应该为0101,也就是十进制的5,为什么会得出-11?

VC是32位编译器,所以

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

~10 = 11111111 11111111   11111111   11110101 =   -11

能够通过掩码(位与) 与15位与

   15 = 00000000 00000000 00000000   00001111

~10 = 00000000 00000000 00000000   00000101   =   -11

2.    & 按位取与

仅仅有两个操作数都是1结果才是1,否则为0

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

12 = 00000000 00000000 00000000   00001100

&

8 = 00000000 00000000 00000000   00001000

3.    | 按位取或

两个操作数随意一位为1结果就是1

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

12 = 00000000 00000000 00000000   00001100

|

14 = 00000000 00000000 00000000   00001110

      

4.    ^ 按位异或

两个操作数不同为1,同样为0

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

12 = 00000000 00000000 00000000   00001100

^

14 = 00000000 00000000 00000000   00000110

       

5.    使用方法:掩码

掩码是通过&(位与)将某些位设置为开(1),将某些位设置为关(0)。将掩码0看做不透明,将1看着透明。

EG:

如仅仅显示第二、三位

107 = 0110 1011

6            = 0000 0110

&

2   = 0000 0010

       

6.    使用方法:打开位

打开位是通过 |(位或)打开一个值的特定位,同一时候保持其它位的不变。这是由于和0位或都为0,和1位或都为1。

EG:

如仅仅打开第二、三位

107 = 0110 1011

6   = 0000 0110

|

111 = 0110 1111

7.    使用方法:关闭位

关闭某些位

EG:

如关闭第二、三位

107 = 0110 1011

6    = 0000 0110

& ~

105 = 0110 1001

8.    使用方法:转置位

假设一位为1则转置为0,假设一位为1则转置为0

EG:

如转置第二、三位

107 = 0110 1011

6    = 0000 0110

^

105 = 0110 1101

       

二.    移位运算符

  1. << 左移

左移运算符是把操作数的值的每一位向左移动,移动的位数有右边的操作数决定,右側空出的位数用0填充

EG:

如转置第二、三位

107 = 0110 1011 <<2

<<

172 = 1010 1100

      

       在计算机中因为是32位的

107 = 0000 0000   0000 0000   0000 0000   0110 1011 <<2

<<

428 = 0000 0000   0000 0000   0000 0001   1010 1100

  1. >> 右移

右移运算符是把操作数的值的每一位向右移动,移动的位数有右边的操作数决定,左边丢弃的位数用0填充

EG:

如转置第二、三位

107 = 0110 1011 >>2

>>

26 = 0001 1010

 

 

 

    一、传统的C方式位操作:

    1.基本操作:

       使用一个unsigned int变量来作为位容器。

    2.操作符:

    |   按位或操作符:result=exp1|exp2;当exp1和exp2中相应位中至少有一个为1时,result中相应位为1,否则为0。

    &  按位与操作符::result=exp1&exp2;当exp1和exp2中相应位全为1时,result中相应位为1,否则为0。

    ^  按位异或或操作符:result=exp1^exp2;当exp1和exp2中相应位不同样时,result中相应位为1,否则为0。

    ~  反转操作符:将位容器中的全部位都反转,1变为0,0变为1。

    << 按位左移操作符:exp<<n,将容器中全部的位向左移n位,空出的位用0填充。

    >> 按位右移操作符:exp>>n,将容器中全部的位向右移n位,空出的位用0填充。

    |=,&=,^= 分别相应|&^三种操作符的复合操作符。

    3.经常使用操作

       这里我们如果有一个result的unsigned int变量用来储存32个学生的成绩(通过和不通过分别用0和1),这样result就有33位(result从右至左,从0開始计算位数,在这个样例中0位被浪费)。

    (a) 将第27位设置为及格(设作1)其它位不变:

       result|=(1<<27) //随意的位值与1作按位或操作其值为1,而与0作按位与操作其值不变

    (b) 将第27位设置成不及格(设为0)。

       result&=~(1<<27) //随意的位值与0作按位与操作其值为0,而与1作按位与操作其值不变

    (c) 反转第27位的值。

       result^=(1<<27) //随意的位值与1作按位异或操作其值为1,而与0作按位异与操作其值不变

     

    二、C++中的bitset容器

    1.头文件:

      #include <bitset>

    2.声明一个容器:

     (a)声明一个指定位数的空容器(全部位设为0): bitset<int> bits;

     (b)声明一个指定位数并将指定的几个位初始化为对应值的容器: bitset<n> bits(int);

         bitdet<int> bits(string&)

    总结:bitset模板类中类型參数传递容器的位数,而构造函数參数通过一个int或一个string&值来从右至左初始化容器中的对应值。

    3.bitset的基本使用方法:

    操作

    功能

    使用方法

    test(pos)

    pos位是否为1?

    a.test(4)

    any()

    随意位是否为1?

    a.any()

    none()

    是否没有位为1?

    a.none()

    count()

    值是1的位的小数

    count()

    size()

    位元素的个数

    size()

    [pos]

    訪问pos位

    a[4]

    flip()

    翻转全部位

    a.flip()

    flip(pos)

    翻转pos位

    a.flip(4)

    set()

    将全部位置1

    a.set()

    set(pos)

    将pos位置1

    a.set(4)

    reset()

    将全部位置0

    a.reset()

    reset(pos)

    将pos位置0

    a.reset(4)

    4.bitset与传统C位操作及字符串的转换

       能够通过to_string()成员将容器转输出为一个string字符串,另外还能够用to_long()成员将容器输出到传统的用于C风格的位容器中。如:

      unsigned long bits = bits.to_long();

      sting str(bits.to_string());



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