位运算符

位运算符直接操作整数的二进制位，是 C 语言贴近硬件的体现。它们用于标志位管理、掩码操作、权限控制、数据压缩等底层场景。理解位运算，能让你高效地操控数据的每一位，也是阅读系统代码和硬件驱动的基础。

基本位运算符

运算符	名称	示例	说明
`&`	按位与	`a & b`	两位都为 1，结果才为 1
`\|`	按位或	`a \| b`	两位至少一个为 1，结果就为 1
`^`	按位异或	`a ^ b`	两位不同，结果为 1；相同为 0
`~`	按位取反	`~a`	0 变 1，1 变 0
`<<`	左移	`a << n`	所有位左移 n 位，右侧补 0
`>>`	右移	`a >> n`	所有位右移 n 位，左侧补什么取决于类型

unsigned int a = 0b1010;    /* 10 */
unsigned int b = 0b1100;    /* 12 */

printf("%u\n", a & b);      /* 1000 = 8 */
printf("%u\n", a | b);      /* 1110 = 14 */
printf("%u\n", a ^ b);      /* 0110 = 6 */
printf("%u\n", ~a);         /* 按位取反，结果取决于 int 的位数 */

按位与 &

按位与常用于掩码操作——提取或保留特定的位：

unsigned int flags = 0b1101;    /* 13 */
unsigned int mask = 0b0011;     /* 3 */

unsigned int result = flags & mask;     /* 0001 = 1 */

/* 检查第 2 位是否为 1 */
if (flags & 0b0100)
    printf("Bit 2 is set\n");

/* 检查最低位 */
if (flags & 1)
    printf("LSB is set\n");

按位或 |

按位或用于设置标志位：

unsigned int flags = 0;

flags = flags | 0b0001;     /* 设置第 0 位 */
flags |= 0b0010;            /* 设置第 1 位（复合赋值） */
flags |= 0b0100;            /* 设置第 2 位 */

/* 现在 flags = 0b0111 = 7 */

按位异或 ^

异或的特性：相同为 0，不同为 1。一个有趣的性质是 a ^ a = 0，a ^ 0 = a：

unsigned int a = 0b1010;

printf("%u\n", a ^ a);      /* 0 */
printf("%u\n", a ^ 0);      /* 1010 = 10 */

/* 切换（翻转）特定位 */
unsigned int flags = 0b1100;
flags ^= 0b0100;            /* 翻转第 2 位：1100 ^ 0100 = 1000 */

/* 交换两个变量（不使用临时变量）——不推荐实际使用 */
int x = 5, y = 3;
x = x ^ y;
y = x ^ y;                  /* y = (x^y)^y = x */
x = x ^ y;                  /* x = (x^y)^x = y */

异或交换在 x 和 y 指向同一内存时会失败（结果为 0），且现代编译器对普通交换的优化已经足够好，这种技巧没有实际优势。

按位取反 ~

~ 将所有位取反。注意：如果操作数是有符号整数，结果可能为负：

unsigned int u = 0;
printf("%u\n", ~u);         /* 4294967295（32 位全 1） */

int s = 0;
printf("%d\n", ~s);          /* -1（补码表示） */

移位运算

左移 <<：所有位左移，右侧补 0。左移 n 位等价于乘以 2ⁿ（对无溢出情况）：

unsigned int a = 1;
printf("%u\n", a << 0);     /* 1 */
printf("%u\n", a << 1);     /* 2 */
printf("%u\n", a << 3);     /* 8 */
printf("%u\n", a << 8);     /* 256 */

/* 快速乘 2 */
unsigned int x = 10;
unsigned int doubled = x << 1;      /* 20 */

左移溢出时，移出的位丢失：

unsigned int a = 0x80000000;        /* 最高位为 1 */
printf("%u\n", a << 1);             /* 0：最高位移出，变为 0 */

右移 >>：所有位右移。无符号数左侧补 0（逻辑右移）；有符号数左侧补符号位还是补 0 是实现定义的（算术右移 vs 逻辑右移）：

unsigned int u = 0xF0000000;
printf("%X\n", u >> 4);      /* 0F000000：左侧补 0 */

int s = -16;                /* 0xFFFFFFF0 */
printf("%d\n", s >> 2);     /* -4：算术右移，补符号位 1 */
                            /* 或 1073741820：逻辑右移，补 0（实现定义） */

C99 §6.5.7/5 规定：有符号负数的右移是实现定义行为。为保证可移植性，需要算术右移时应使用无符号数的技巧，或确认目标平台的行为。

移位位数限制：

unsigned int a = 1;
unsigned int b = a << 32;     /* 未定义行为！移位位数 >= 类型位数 */
unsigned int c = a << 31;     /* 合法：最高位移到符号位 */

如果移位位数大于等于操作数的位数，或者为负数，结果是未定义行为。

实际应用

标志位管理：

#define FLAG_READ   0x01    /* 0001 */
#define FLAG_WRITE  0x02    /* 0010 */
#define FLAG_EXEC   0x04    /* 0100 */

unsigned int permissions = FLAG_READ | FLAG_WRITE;    /* 设置读和写 */

if (permissions & FLAG_READ)
    printf("Can read\n");

permissions &= ~FLAG_WRITE;     /* 清除写权限 */
permissions ^= FLAG_EXEC;       /* 切换执行权限 */

提取颜色分量：

unsigned int color = 0xFFAA55;      /* RGB */

unsigned char r = (color >> 16) & 0xFF;     /* 0xFF */
unsigned char g = (color >> 8) & 0xFF;       /* 0xAA */
unsigned char b = color & 0xFF;             /* 0x55 */

判断奇偶：

if (n & 1)
    printf("Odd\n");       /* 最低位为 1 */
else
    printf("Even\n");      /* 最低位为 0 */

常见错误

混淆逻辑与位运算符：

if (flags & FLAG_READ)      /* 正确：位与检查标志 */
if (flags && FLAG_READ)     /* 错误：逻辑与，flags 非零就真 */

对有符号数进行位运算：

int flags = 0x80;
if (flags >> 7)             /* 实现定义：可能为 -1 或 1 */
    /* ... */

/* 安全做法 */
unsigned int uflags = 0x80;
if (uflags >> 7)            /* 总是 1 */
    /* ... */

移位溢出：

int a = 1;
int b = a << 31;            /* 有符号数：最高位为 1，变为负数 */
                              /* 如果 int 是 32 位，这是符号位 */

位运算应优先使用无符号类型，避免符号位带来的歧义。