【C语言】C语言中的按位操作：与、或、异或及取反

在C语言中，按位操作是一种强大的工具，可以用来处理整数的二进制表示。这些操作符允许你对整数的每一位进行直接操作，这在某些特定的应用场景中非常有用，比如硬件编程、数据压缩和加密算法等。本文将详细介绍C语言中的按位与（&）、按位或（|）、按位异或（^）以及按位取反（~）操作。

一. 按位与（&）

定义： 按位与操作符 & 将两个操作数的每一位进行比较，如果两位都为1，则结果的对应位也为1，否则为0。

• 示例：

int main(){
    int a =6;
    int b =7;
    int c= a & b;
    printf("%d\n",c);
}
输出：c=6

• 解析：

a=6
原码：00000000000000000000000000000110
补码：00000000000000000000000000000110
反码：00000000000000000000000000000110

b=7
原码：00000000000000000000000000000111
补码：00000000000000000000000000000111
反码：00000000000000000000000000000111

a & b
00000000000000000000000000000110
00000000000000000000000000000111
                ||  
00000000000000000000000000000110= 6

二. 按位或（|）

定义： 按位或操作符 | 将两个操作数的每一位进行比较，如果两位中至少有一位为1，则结果的对应位也为1，否则为0。

• 示例：

int main(){
    int a =6;
    int b =10;
    int c= a | b;
    printf("%d\n",c);
}
输出：c=14

• 解析：

a=6
原码：00000000000000000000000000000110
补码：00000000000000000000000000000110
反码：00000000000000000000000000000110

b=10
原码：00000000000000000000000000001010
补码：00000000000000000000000000001010
反码：00000000000000000000000000001010

a | b
00000000000000000000000000000110
00000000000000000000000000001010
                ||  
00000000000000000000000000001110  = 14

三. 按位异或（^）

定义： 按位异或操作符 ^ 将两个操作数的每一位进行比较，如果两位不同，则结果的对应位为1，否则为0。

• 示例：

int main(){
    int a =6;
    int b =10;
    int c= a ^ b;
    printf("%d\n",c);
}

• 解析

a=6
原码：00000000000000000000000000000110
补码：00000000000000000000000000000110
反码：00000000000000000000000000000110

b=10
原码：00000000000000000000000000001010
补码：00000000000000000000000000001010
反码：00000000000000000000000000001010

a ^ b
00000000000000000000000000000110
00000000000000000000000000001010
                ||  
00000000000000000000000000001100  = 12

• 使用技巧

a是整数

1)  a ^ a=0

• 示例

int main() {
    int a = 6;
    int b = a ^ a;
    printf("%d\n", b);
}

• 解析

a=6
原码：00000000000000000000000000000110
补码：00000000000000000000000000000110
反码：00000000000000000000000000000110

a^a
00000000000000000000000000000110
00000000000000000000000000000110
00000000000000000000000000000000 = 0

2） a^0=a

• 示例

int main() {
    int a = 6;
    int b = a ^ a;
    int c = a^0;
    printf("%d\n", b);
    printf("%d\n", c);
}

• 解析

a=6
原码：00000000000000000000000000000110
补码：00000000000000000000000000000110
反码：00000000000000000000000000000110

a^0
00000000000000000000000000000110
00000000000000000000000000000000
00000000000000000000000000000110 //6=a

󠁪四. 按位取反（~）

定义： 按位取反操作符 ~ 将操作数的每一位取反，即将1变为0，将0变为1。

注意，按位取反操作符会考虑整数的符号位，因此对于有符号整数，结果可能会超出预期范围。

• 示例：

int main(){
    int a =6;
    int b = ~a;
    printf("%d\n",b);
}

• 解析

a=6
原码：00000000000000000000000000000110
补码：00000000000000000000000000000110
反码：00000000000000000000000000000110


~a
00000000000000000000000000000110
                ||  
11111111111111111111111111111001   //反码
11111111111111111111111111111000   //-1
10000000000000000000000000000111=-7 //取反

五、󠁪应用示例

交换两个整数而不使用临时变量利用按位异或操作，可以实现不使用临时变量来交换两个整数的值。

#include <stdio.h>  
int main() {
    int a = 5;
    int b = 10;  
    printf("Before swap: a = %d, b = %d\n", a, b);  
    // 使用位异或操作交换
    a = a ^ b; // a 现在是 a ^ b
    b = a ^ b; // b 现在是 (a ^ b) ^ b = a
    a = a ^ b; // a 现在是 (a ^ b) ^ a = b  
    printf("After swap: a = %d, b = %d\n", a, b);  
    return 0;
}
c输出：Before swap: a = 5, b = 10
After swap: a = 10, b = 5

六、总结

• 按位与（&）：如果两位都为1，则结果的对应位也为1。

• 按位或（|）：如果两位中至少有一位为1，则结果的对应位也为1。

• 按位异或（^）：如果两位不同，则结果的对应位为1，否则为0。

• 按位取反（~）：将每一位取反，1变0，0变1。对于有符号整数，结果会考虑符号位，可能导致负数。