深入理解C#位运算：掌握位运算符的妙用

2023-11-07 15:45:10 浏览数 (1)

1. 开头一问

本文开始前，先给出站长前几天面试，一位面试官C语言大佬给的一题：

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int i = 255;
i <<= 24;
i >>= 24;

问题：

  1. 最终i 等于多少？
  2. 如果i是uint类型，最终i结果是多少？

2. C#位运算

C#位运算是一种强大的工具，可以在处理二进制数据和位操作时发挥重要作用。通过使用位运算符，我们可以对整数进行位级别的操作，如位与、位或、位异或和位取反等。位运算可以用于优化性能、压缩数据、实现位掩码和位标志等。了解和掌握C#位运算的基本原理和常见应用场景，将使我们能够更高效地处理二进制数据，并在某些情况下提高代码的性能和可读性。通过深入理解C#位运算，我们可以在编程中发挥更大的创造力和灵活性。

本节内容主要参考文章：C# 中使用位运算（与、或、非 & | ^）进行数据校验[1]和c# 位运算符_c#位运算符-CSDN博客[2]。

要学会位运算，首先要清楚什么是位运算？程序中的所有内容在计算机内存中都是以二进制的形式储存的（即：0或1），位运算就是直接对在内存中的二进制数的每位进行运算操作。

在C#中可以对整型运算对象按位进行逻辑运算。按位进行逻辑运算的意义是：依次取被运算对象的每个位，进行逻辑运算，每个位的逻辑运算结果是结果值的每个位。C#支持的位逻辑运算符如表所示。

运算符号

意义

运算对象类型

运算结果类型

对象数

实例

~

位逻辑非运算，按位取反

整型，字符型

整型

1

~a

&

位逻辑与运算，其实与&&逻辑运算符有一致的地方

同上

同上

2

a & b

|

位逻辑或运算，同样与||有类似的地方

同上

同上

2

a | b

^

位逻辑异或运算

同上

同上

2

a ^ b

<<

位左移运算

同上

同上

2

a<<4

>>

位右移运算

同上

同上

2

a>>2

2.1. ~：位逻辑非运算

位逻辑非运算是单目的，只有一个运算对象。位逻辑非运算按位对运算对象的值进行非运算，即：如果某一位等于0，就将其转变为1；如果某一位等于1，就将其转变为0。

比如，对二进制的10010001进行位逻辑非运算，结果等于01101110，用十进制表示就是：

~145等于110；对二进制的01010101进行位逻辑非运算，结果等于10101010。用十进制表示就是~85等于176。

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int a = 1001 0001; // 十进制：145
int b = ~a;   // b = 0110 1110，即十进制：110

来复杂的，看这篇文章c# 位运算符_c#位运算符-CSDN博客：

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int a = 13;
int b = -14;

Console.WriteLine(~a); // -14
Console.WriteLine(~b); // 13;

这个是怎么操作二进制的呢，首先要要记住一些原则，**就是正数的反码，补码都是其本身的源码，负数的反码是符号位不变，本身的0变1,1变0，补码就是反码 1，最后进行补码取反时连同符号位一起变得到的反码就是结果：

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int b   = 1111 1110; // 前面的1111表示符号位
反码       = 1111 0001; // 符号位不变
补码       = 1111 0010; // 反码加1
补码取反   = 0000 1101; // 得到新的反码就是结果，连同符号位一起反)

int a   = 0000 1101;
源补码    = 0000 1101;
源补码取反  = 1111 0010; // 得到一个新源码（既不是补码，也不是反码)，连同符号位一起取反
新源码补码    = 0000 0001; // 新的补码,将新源码减1
新的补码取反 = 1111 1110; // 得到新的反码,就是结果

上面先进行的负数的按位取反操作，首先得到反码，然后负数的补码操作是反码加1，符号位都不变，然后把得到的补码取反（符号位一起取反），得到的反码就是结果，符号位为0，结果得正。

然后进行正数的取反，首先得到正数的补码（源补码，到了这一步就开始了类似与负数取反的操作），把正数的补码进行取反，得到一个新码，既不是反码也不是补码，当做中间值进行操作，对他进行补码，不同的是负数取反是加1，那么正数取反就是减1，再次变更符号位，得到补码，然后将补码取反，得到的反码就是结果。把得到的结果转成十进制要注意，负数的符号位是不参与计算的。

经过多次实验得到一个规律就是：

~( a)= -(a 1);（正数按位取反只需要把当前数加1然后改成负的）

~(-a)= ( a-1);（负数按位取反只需要把当前数先当做正数，然后减1得到结果）

2.2. $：位逻辑与运算

位逻辑与运算将两个运算对象按位进行与运算。与运算的规则：1与1等于1，1与0等于0。

示例代码：

代码语言：javascript复制
int a = 13;
int b = 14;
int result = a & b; // 12

转换为二进制：

代码语言：javascript复制
  int a = 0000 1101;
  int b = 0000 1110;
int result = 0000 1100;

&运算符会对二进制相同位置上面的0和1进行对比，当相同位置数字相同时就返回这个相同的数，否则就返回0，是不是和&&运算符判断两个bool 一致则返回True,否则返回False类似。所以我们得到了result这个结果，转化成十进制就是12了。

2.3. |：位逻辑或运算

位逻辑或运算将两个运算对象按位进行或运算。或运算的规则是：1或1等1，1或0等于1，

示例代码：

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int a = 13;
int b = 14;
int result = a | b; // 15

转换为二进制：

代码语言：javascript复制
  int a = 0000 1101;
  int b = 0000 1110;
int result = 0000 1111;

其实判断方式是一样的，只是返回的结果不一样， | 运算符判断两个二进制相同位置的0和1，只要其中一个位置的数字是1就返回1，是不是和 || 运算符同样很类似，只要一个True则返True，再把得到的结果转化成10进制就是15了。

2.4. ^：位逻辑异或运算

位逻辑异或运算将两个运算对象按位进行异或运算。异或运算的规则是：1异或1等于0，

1异或0等于1，0异或0等于0。即：相同得0，相异得1。

示例代码：

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int a = 13;
int b = 14;
int result = a ^ b; // 3

转换为二进制：

代码语言：javascript复制
  int a = 0000 1101;
  int b = 0000 1110;
int result = 0000 0011;

从中可以看出，^ 判断相同位置上面的数字时，如果两个数相同，不论是0还是1都返回0，如果其中一个为1就返回1。而 | 是只要有一个只要位置上一个为1就返回1，所以名字叫异或（不同的返回或）。

2.5. <<：位左移运算

位左移运算将整个数按位左移若干位，左移后空出的部分0。比如：8位的byte型变量byte a=0x65(即二进制的01100101),将其左移3位：a<<3的结果是0x27(即二进制的00101000)。

代码语言：javascript复制
byte a = 0110 0101;
a <<= 3;//0010 1000

将第一个操作数向左移动第二个操作数指定的位数，空出的位置补0。 左移相当于乘. 左移一位相当于乘2;左移两位相当于乘4;左移三位相当于乘8。

代码语言：javascript复制
 x<<1= x*2 
 x<<2= x*4 
 x<<3= x*8 
 x<<4= x*16

2.6. >>：位右移运算

位右移运算将整个数按位右移若干位，右移后空出的部分填0。比如：8位的byte型变量byte a=0x65(既（二进制的01100101）)将其右移3位：a>>3的结果是0x0c(二进制00001100)。

代码语言：javascript复制
 byte a = 0110 0101;
a >>= 3;//0000 1100

将第一个操作数向右移动第二个操作数所指定的位数，空出的位置补0。

右移相当于整除. 右移一位相当于除以2; 右移两位相当于除以4; 右移三位相当于除以8。

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 x>>1= x/2 
 x>>2= x/4 
 x>>3= x/8 
 x>>4= x/16

3. 总结及问题答案

看微软文档位运算符和移位运算符[3]两点注意

  1. 位运算和移位运算永远不会导致溢出，并且不会在已检查和未检查的[4]上下文中产生相同的结果。
  2. 移位运算符仅针对 int、uint、long 和 ulong 类型定义，因此运算的结果始终包含至少 32 位。如果左侧操作数是其他整数类型（sbyte、byte、short、ushort 或 char），则其值将转换为 int 类型。

这里给出文章开头问题的答案及答案解析结束本文：

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int i = 255; // 00000000 00000000 00000000 11111111
i <<= 24;  // 11111111 00000000 00000000 00000000
i >>= 24;  // 11111111 11111111 11111111 11111111;

上面移位后是-1，修改i数据类型为uint：

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uint i = 255; // 00000000 00000000 00000000 11111111
i <<= 24;  // 11111111 00000000 00000000 00000000
i >>= 24;  // 00000000 00000000 00000000 11111111;

无符号类型移位后是原来的数值255，int和uint位移后结果不同的原因：

  1. 对于有符号整数的右移操作，会将最高位的符号位也一同右移。这意味着如果原始数值的最高位是1，那么右移后，符号位会被保留，即填充1。这种右移操作被称为算术右移。
  2. 对于无符号整数的右移操作，不会保留符号位，而是将最高位的0也一同右移。这种右移操作被称为逻辑右移。

本文如果有错误的地方欢迎指正，文中参考资料：

  • https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/operators/bitwise-and-shift-operators
  • c# 位运算符
  • C# 中使用位运算（与、或、非 & | ^）进行数据校验

参考

[1]

C# 中使用位运算（与、或、非 & | ^）进行数据校验: https://www.cnblogs.com/yuyoho/p/13185690.html

[2]

c# 位运算符_c#位运算符-CSDN博客: https://blog.csdn.net/pq8888168/article/details/82116450

[3]

位运算符和移位运算符: https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/operators/bitwise-and-shift-operators

[4]

已检查和未检查的: https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/statements/checked-and-unchecked

c# 对象 二进制 数据 源码

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