如何高效反转一个整数的所有比特位（C语言实现）

在嵌入式开发、底层系统编程和算法优化中，经常需要对数据进行位操作。其中，反转一个整数的所有比特位是一个常见的需求，例如用于网络传输、图像处理、加密解密等领域。

本文将带你一步步实现一个高效的 通用比特位反转函数，支持 uint8_t、uint16_t、uint32_t 和 uint64_t 类型，并使用 C 语言的 _Generic 关键字实现类似“泛型”的功能，让代码更简洁、易用。

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🎯 目标

• 实现一个函数，能够反转任意大小整数的所有比特位。
• 支持 uint8_t、uint16_t、uint32_t、uint64_t 类型。
• 高效无循环，使用分治法快速完成位反转。
• 提供二进制打印辅助函数，方便调试和观察结果。

🔁 反转比特位的基本思路

要将一个整数的比特位完全反转，比如：

输入: 0b10100000 (0xA0)
输出: 0b00000101 (0x05)

常规做法是通过循环逐个提取每一位并拼接，但这种方式效率不高。我们采用一种 位运算 + 分治策略 的方法，可以在固定轮次内完成反转，非常高效。

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#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

// 反转8位
uint8_t reverse_bits8(uint8_t n) {
	n = (n & 0x55) << 1 | (n >> 1 & 0x55);
	n = (n & 0x33) << 2 | (n >> 2 & 0x33);
	n = (n & 0x0F) << 4 | (n >> 4 & 0x0F);
	return n;
}

// 反转16位
uint16_t reverse_bits16(uint16_t n) {
	n = ((n & 0x5555) << 1) | ((n >> 1) & 0x5555);
	n = ((n & 0x3333) << 2) | ((n >> 2) & 0x3333);
	n = ((n & 0x0F0F) << 4) | ((n >> 4) & 0x0F0F);
	n = ((n & 0x00FF) << 8) | ((n >> 8) & 0x00FF);
	return n;
}

// 反转32位
uint32_t reverse_bits32(uint32_t n) {
	n = ((n >> 1) & 0x55555555) | ((n << 1) & 0xAAAAAAAA);
	n = ((n >> 2) & 0x33333333) | ((n << 2) & 0xCCCCCCCC);
	n = ((n >> 4) & 0x0F0F0F0F) | ((n << 4) & 0xF0F0F0F0);
	n = ((n >> 8) & 0x00FF00FF) | ((n << 8) & 0xFF00FF00);
	n = ((n >> 16) & 0x0000FFFF) | ((n << 16) & 0xFFFF0000);
	return n;
}

// 反转64位
uint64_t reverse_bits64(uint64_t n) {
	n = ((n >> 1) & 0x5555555555555555) | ((n << 1) & 0xAAAAAAAAAAAAAAAA);
	n = ((n >> 2) & 0x3333333333333333) | ((n << 2) & 0xCCCCCCCCCCCCCCCC);
	n = ((n >> 4) & 0x0F0F0F0F0F0F0F0F) | ((n << 4) & 0xF0F0F0F0F0F0F0F0);
	n = ((n >> 8) & 0x00FF00FF00FF00FF) | ((n << 8) & 0xFF00FF00FF00FF00);
	n = ((n >> 16) & 0x0000FFFF0000FFFF) | ((n << 16) & 0xFFFF0000FFFF0000);
	n = ((n >> 32) & 0x00000000FFFFFFFF) | ((n << 32) & 0xFFFFFFFF00000000);
	return n;
}

// 根据变量大小自动调用对应函数
#define reverse_bits(x) _Generic((x),         \
uint8_t:  reverse_bits8,                  \
uint16_t: reverse_bits16,                 \
uint32_t: reverse_bits32,                 \
uint64_t: reverse_bits64                  \
)(x)

// 打印二进制辅助函数（适用于任意位数）
void print_binary(void* data, size_t size) {
	uint8_t* bytes = (uint8_t*)data;
	for (int i = size - 1; i >= 0; i--) {
		for (int j = 7; j >= 0; j--) {
			printf("%d", (bytes[i] >> j) & 1);
			if (j == 4 || j == 0) printf(" ");
		}
		printf(" ");
	}
	printf("\n");
}



int main() {
	uint8_t  a = 0b10100000;
	uint16_t b = 0xA000;
	uint32_t c = 0xA0000000;
	uint64_t d = 0xA000000000000000;
	
	printf("原始值 a: ");
	print_binary(&a, sizeof(a));
	uint8_t ra = reverse_bits(a);
	printf("反转后 a: ");
	print_binary(&ra, sizeof(ra));
	
	printf("\n原始值 b: ");
	print_binary(&b, sizeof(b));
	uint16_t rb = reverse_bits(b);
	printf("反转后 b: ");
	print_binary(&rb, sizeof(rb));
	
	printf("\n原始值 c: ");
	print_binary(&c, sizeof(c));
	uint32_t rc = reverse_bits(c);
	printf("反转后 c: ");
	print_binary(&rc, sizeof(rc));
	
	printf("\n原始值 d: ");
	print_binary(&d, sizeof(d));
	uint64_t rd = reverse_bits(d);
	printf("反转后 d: ");
	print_binary(&rd, sizeof(rd));
	
	return 0;
}

结果：