深入理解C++移位运算符

关于逻辑移位、算术移位可参见迅雷深大笔试题部分。的一道题。

以前看到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。下面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：下面在VC环境下发现一个很不明白的地方，下面标注。

#include <stdio.h>

void main()

{

  unsigned int i,j;

  i=35;

 

  //为什么下面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。

原因是这样的：i=35;j=1<<i;这两句在VC没有做优化的情况下，将被编译成下面的机器指令：

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执行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。因为35 & 31 =3，所以这样的指令相当于将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，如果把VC编译器的优化开关打开（比如编译成Release版本），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。

http://hovertree.com/menu/cpp/

下面是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。

将源码与掩码经过逻辑运算得出新的操作数。其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.  用法：掩码 （&）

4. 用法：打开位 （|）

5.用法：关闭位 （&~）

6. 用法：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 如果该位置已被置为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。二者只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

可以通过掩码（位与） 与15位与

   15 = 00000000 00000000 00000000   00001111

~10 = 00000000 00000000 00000000   00000101   =   -11

2．    & 按位取与

只有两个操作数都是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

两个操作数任意一位为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，相同为0

10 = 00000000 00000000 00000000   00001010

12 = 00000000 00000000 00000000   00001100

^

14 = 00000000 00000000 00000000   00000110

5．    用法：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：

如只显示第二、三位

107 = 0110 1011

6            = 0000 0110

&

2   = 0000 0010

6．    用法：打开位

打开位是通过 |（位或）打开一个值的特定位，同时保持其他位的不变。这是因为和0位或都为0，和1位或都为1。

EG：

如只打开第二、三位

107 = 0110 1011

6   = 0000 0110

|

111 = 0110 1111

7．    用法：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．    用法：转置位

如果一位为1则转置为0，如果一位为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，右侧空出的位数用0填充

EG：

如转置第二、三位

107 = 0110 1011 <<2

<<

172 = 1010 1100

       在计算机中由于是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中对应位中至少有一个为1时，result中对应位为1，否则为0。

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

^  按位异或或操作符：result=exp1^exp2;当exp1和exp2中对应位不相同时，result中对应位为1，否则为0。

~  反转操作符：将位容器中的所有位都反转，1变为0，0变为1。

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

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

|=,&=,^= 分别对应|&^三种操作符的复合操作符。

3.常用操作

   这里我们假设有一个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开始计算位数，在这个例子中0位被浪费）。

(a) 将第27位设置为及格（设作1）其他位不变：

   result|＝(1<<27) //任意的位值与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) //任意的位值与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) //任意的位值与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（所有位设为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相应值的容器： bitset<n> bits(int);

     bitdet<int> bits(string&)

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

3.bitset的基本用法：

4.bitset与传统C位操作及字符串的转换

   可以通过to_string()成员将容器转输出为一个string字符串，另外还可以用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());