一些实用的C语言小技巧
每天一点C / 位和字节
正文目录：
1. 位相关的运算符
2. 位相关的用法
3. 位字段 (bit field)
4. 怎样判断机器的字节顺序？
5. 怎样将整数转换到二进制或十六进制？
6. 怎样高效地统计整数中为1的位的个数？
7. 相关参考写作目的：
-
记录一些 C 语言中位和字节相关的操作。
测试环境：
-
Ubuntu 16.04 -
gcc version 5.4.0
1. 位相关的运算符
1) 取反：～
～(10011010) = (01100101)
运算符 ～ 把 1 变为 0，把 0 变为 1。
2) 按位与：&
(10010011) & (00111101) = (00010001)
运算符 & 通过逐位比较两个运算对象，生成一个新值。对于每个位，只有两个运算对象中相应的位都为 1，结果才为 1。
3) 按位或：|
(10010011) | (00111101) = (10111111)
运算符 | 通过逐位比较两个运算对象，生成一个新值。对于每个位，如果两个运算对象中有 >=1 的位为 1，结果就为 1。
4) 按位异或：^
(10010011) ^ (00111101) = (10101110)
运算符 ^ 逐位比较两个运算对象。对于每个位，如果两个运算对象中有且只有 1 位 为 1, 结果为 1。
5) 左移：<<
(10001010) << 2 = (00101000)
运算符 << 将其左侧运算对象每一位的值向左移动其右侧运算对象指定的位数。左侧运算对象移出左末端位的值会被丢弃，用 0 填充空出的位置。
6) 右移：>>
(10001010) >> 2 = (00100010) // 情况1
(10001010) >> 2 = (11100010) // 情况2
运算符 >> 将其左侧运算对象每一位的值向右移动其右侧运算对象指定的位数。左侧运算对象移出右末端位的值丢。
对于无符号类型，用 0 填充空出的位置。
对于有符号类型，其结果取决于机器。空出的位置可能用 0 填充，也可能用符号位填充。
2. 位相关的用法
1) 什么是掩码？
所谓掩码指的是一些设置为开 (1) 或关 (0) 的位组合。
为什么叫掩码？看下面这个例子：
#define MASK (1<<1)
flags = flags & MASK;
上面这个例子中，只有 MASK 中 为1的位才可见，掩码中的 0 隐藏 (掩盖) 了 flags 中相应的位。
2) 打开 (设置) 位
有时，比如在操作硬件寄存器的情况下，需要打开一个值中的特定位，同时保持其他位不变。这种情况可以使用按位或运算符 | 和一个掩码进行配合：
#define MASK (1<<1)
flags |= MASK;
3) 关闭 (清空) 位
在不影响其他位的情况下关闭指定的位：
#define MASK (1<<1)
flags &= ~MASK;
4) 切换位
切换位指的是打开已关闭的位，或关闭已打开的位：
#define MASK (1<<1)
flags ^= MASK;
5) 检查位
检查某位的值是否为 1：
#define MASK (1<<1)
(flags & MASK) == MASK
注意，掩码至少要与其覆盖的值的宽度相同，要避免符号位带来的意外，最好在代码中使用 unsigned int 操作位和字节。
6) 提取位
移位运算符可用于从较大单元中提取一些位，例如提取 RBG 颜色值：
#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 )
位字段通过一个结构声明来建立，该结构声明为每个字段提供标签，并确定该字段的宽度，在 Linux 驱动中，某些代码使用了位字段：
struct ap_queue_status {
unsigned int queue_empty : 1;
...
unsigned int response_code : 8;
unsigned int pad2 : 16;
} aqs;
给字段赋值:
aqs.queue_empty = 0;
aqs.response_code = 0xff;
所赋的值不能超出字段可容纳的范围。
位字段占用的空间：
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));
}
测试结果：
4 4 // without TEST
4 12 // with TEST
系统会自动判断出需要几个 byte 的空间来存储数据，在我的机器上测试，一个成员最起码占用 1 个 byte。
位字段的储存顺序:
取决于机器。在有些机器上，存储的顺序是从左往右，而在另一些机器上，是从右往左。另外，不同的机器中两个字段边界的位置也有区别。由于这些原因，位字段通常都不容易移植，我不要求自己写，但是要求自己会看。
4. 怎样判断机器的字节顺序？
演示 demo：
int main(void)
{
int x = 1;
if (*((char *)&x) == 1)
printf("little - endian\n");
else
printf("big - endian\n");
return 0;
}
运行效果：
$ gcc byte_order.c -o byte_order
$ ./byte_order
little - endian
代码解析：
-
先初始化在内存中占用 4 个字节的 int 变量。
-
-
最后获取第 1 个字节的值：*px，观察 *px 是否为 1 就可以知道大小端了。
5. 怎样将整数转换到二进制或十六进制？
演示 demo：
进行任意进制数转换的小函数：
#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() 中进行测试：
int main(void)
{
int a = 20;
printf("%s\n", baseconv(a, 2));
printf("%s\n", baseconv(a, 16));
return 0;
}
运行效果：
$ gcc int_conv.c -o int_conv
$ ./int_conv
10100
14
代码解析：
-
首先需要明确的是：整数本来就是以二进制存储的，这里说的转换只是指打印的形式。
-
在baseconv() 中的缓冲是 static 的，这有2 个作用：1) 将缓冲清 0，2) 只有是 static 的缓冲才能在函数外部被使用。
-
-
如果你这样打印：
printf("%d %s %s\n", a, baseconv(a, 2), baseconv(a, 16));会得到这样的结果：
10100 00。这是因为 baseconv() 中的缓冲是 static 的，
baseconv(a, 2)将baseconv(a, 16)冲刷掉了。
6. 怎样高效地统计整数中为1的位的个数？
演示 demo：
统计整数中为1的位的个数的小函数：
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() 中进行测试：
int main(void)
{
int i = 0;
for (i=0; i<=0x0f; i++)
printf("%d\n", bitcount(i));
return 0;
}
运行效果：
$ 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
代码解析：
-
许多像这样的位问题可以使用查找表格来提高效率和速度。
-
这段代码是以每次 4 位的方式计算数值中为1的位的个数。
相关参考
-
《C Primer Plus 6th》, 15 -
《你必须知道的 495 个 C语言问题》, 20.7 -
《C 和指针》, 5.1.3 -
《C 专家》, NULL -
《C 和 C++ 程序员面试秘籍》, 5 -
《C 语言解惑》, NULL
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学习技术，更要学习如何生活。
你和我各有一个苹果，如果我们交换苹果的话，我们还是只有一个苹果。但当你和我各有一个想法，我们交换想法的话，我们就都有两个想法了。
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