[史上最全]C#（VB.NET）中位运算符工作过程剖析

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目录

• 介绍
• “二进制-十进制”相互转换
  • 十进制->二进制
  • 二进制->十进制
• OR运算符（按位或|）
  • OR运算符工作方式
  • FlagsAttribute
• AND运算符（按位与&）
• XOR运算符（按位异或^）
  • XOR运算符工作方式
  • 使用XOR交换两变量值的算法
  • 使用XOR加密
• NOT运算符（按位非~）
• 左移运算符（<<）
  • 左移运算符工作方式
  • 使用左移运算符计算2的幂
• 右移运算符（>>）
  • 右移运算符工作方式
  • 使用右移运算符计算x/(2的幂)
• 循环按位移动
  • 循环按位左移
  • 循环按位右移

介绍

在这篇博客中，我将来讨论与位操作符有关的内容。这篇文章中谈到的位操作符有：

• OR（C#中使用“|”，VB.NET中使用Or）
• AND（C#中使用“&”，VB.NET中使用And）
• XOR（C#中使用“^”，VB.NET中使用Xor）
• NOT（C#中使用“~”，VB.NET中使用Not）
• 左移运算符（C#和VB.NET中都使用<<）
• 右移运算符（C#和VB.NET中都使用>>）
• 循环按位移动
  • 循环左移（C#和VB.NET中没有对应的运算符）
  • 循环右移（C#和VB.NET中没有对应的运算符）

位操作符一般用在数值类型上，它作用在数字二进制格式的每一位上（0和1），所以我们先要搞清楚十进制和二进制的相互转换。这篇文章开头我会给出一些（二进制-十进制）转换示例，虽然都是以Byte类型进行说明的，但其他诸如Int32、Int16等数值类型转换的原理是一样的。

位操作符的使用不仅仅只在C#和VB.NET两种语言中，本篇文章只以这两种语言举例。

 

“二进制-十进制”相互转换

这一节中我将介绍有关十进制与二进制相互转换的内容。

十进制->二进制

假设我们有一个十进制数字783，我们可以使用下面的方法将其转换成二进制：

除法:	783 / 2	391 / 2	195 / 2	97 / 2	48 / 2	24 / 2	12 / 2	6 / 2	3 / 2	1 / 2
商:	391	195	97	48	24	12	6	3	1	0
余数:	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1

当商为0时，我们停止计算。现在我们从右往左拼接每一步得到的余数，我们会得到1100001111。

按照下面方式可以将一个负十进制数转换为二进制（以-783为例）：

1. 先得到783的二进制：0000001100001111（前面空白补0）
2. 按位取反得到：1111110011110000
3. 然后加1得到：1111110011110001
4. 那么，-783的二进制为1111110011110001
5. 怎么确定得到的结果是一个负数呢？这主要依赖于数据类型。如果数据类型为Int16，那么第一位若为0，则为正数，否则为负数。如果数据类型是不带符号的，比如UInt16，那么第一位数不代表符号，1111110011110000就是十进制的64752。

二进制->十进制

如果你有一个二进制数字0000000100010110（Int16），现将每个位的顺序颠倒（你会得到0110100010000000），然后使用以下方法：

位b:	0	1	1	0	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0
b * 2n	0 * 20	1 * 21	1 * 22	0 * 23	1 * 24	0 * 25	0 * 26	0 * 27	1 * 28	0 * 29	0 * 210	0 * 211	0 * 212	0 * 213	0 * 214	0  * 215
结果:	0	2	4	0	16	0	0	0	256	0	0	0	0	0	0	0

最后将每一步得到的结果相加：

按照下面方式可以将一个负二进制数值转换成十进制（以1111111111010011为例）：

1. 将原数按位取反得到：0000000000101100
2. 将取反后的结果转换成十进制：44
3. 将44加1得到45
4. 将45变为负数：-45
5. 最后，负二进制数值1111111111010011的十进制格式为-45

 

OR运算符（按位或|）

OR运算符工作方式

假设现在有两个Byte类型的数38和53，那么我们先将它们转换成二进制格式：

按照下表的方式：

A	0	0	1	0	0	1	1	0
B	0	0	1	1	0	1	0	1
A | B (A Or B)	0	0	1	1	0	1	1	1

如果两个数是Int16类型的，那么它们就有可能是负数。一个负数和一个正数按位或运算后得到的结果还是负数（第一位肯定是1），因此，-15|378（VB.NET中-15 Or 378）的结果为-5。

C#和VB.NET中的按位或运算符的使用，参见下面代码：

[C#]

[VB.NET]

FlagsAttribute

通过使用FlagsAttribute，你可以将枚举类型的每个值都当作二进制中的位（1和0），当然在定义枚举类型的时候有要求，即每个枚举值必须按照1、2、4、8（2的N次方）这样的规律初始化。

[C#]

[VB.NET]

现在你可以使用按位或运算符来操作枚举类型：

[C#]

[VB.NET]

 

AND运算符（按位与&）

假设有两个数76和231，我们现将它们转换成二进制：

然后按照下表计算：

A	0	1	0	0	1	1	0	0
B	1	1	1	0	0	1	1	1
A & B (A And B)	0	1	0	0	0	1	0	0

仅仅当A和B都为负时，A&B（VB.NET中的A And B）的结果才为负，其他情况下结果都为正（只有A和B的第一位都为1时，结果的第一位才为1）。

C#和VB.NET中的按位与运算符的使用，参见下图：

[C#]

[VB.NET]

 

XOR运算符（按位异或^）

XOR运算符的工作方式

按位或OR运算符不同于按位异或XOR运算符。如果你使用按位或OR，那么1|1（VB.NET中的1 Or 1）的结果为1，但是如果你使用按位异或XOR，那么1^1（VB.NET中的1 Xor 1）的结果为0。仅仅在1^0或者0^1时，结果才为1。

假设你有两个数值138和43，那么现将它们转换为二进制格式：

然后按照下表：

A	1	0	0	0	1	0	1	0
B	0	0	1	0	1	0	1	1
A ^ B (A Xor B)	1	0	1	0	0	0	0	1

C#和VB.NET中的按位异或运算符的使用，参见下面代码：

[C#]

[VB.NET]

使用XOR交换变量值的算法

使用XOR运算符可以交换两个变量值，并且不需要中间临时变量做辅助：

[C#]

[VB.NET]

使用XOR加密

在XOR运算符的帮助下，你可以给一个文本加密。遍历文本的每个字符，然后使用XOR运算符c ^ k（VB.NET中的c Xor k）生成新的字符。其中k就是一个整数值。

[C#]

[VB.NET]

最终输出结果为zFG]♫G]♫O♫CK]]OIK。这种方式加密非常容易被破解，所以最好不要使用单一的字符（比如k），我们可以使用一串文本：

[C#]

[VB.NET]

最终的输出为m_☻\ D+♫.↓Z♫\SL?Ka。现在破解这个加密算法相对来讲要复杂一些，但是这种方式还不是很保险，如果别人知道了你的key（代码中的k字符串），那么破解起来相当简单。因此，不要使用XOR这种方式作为加密的单一算法，如果你对安全、加密感兴趣，你可以结合其他的一些加密方式，将XOR运算符应用到其中，作为整个加密过程的一部分。

 

NOT运算符（按位非~）

按位非操作符NOT将会改变二进制中每位的值，0变为1，1变为0。如果一个数值有符号，那么整数经过运算后会变成负数，负数经过变换后会变为正数。如果数值没有符号，那么永远都为正（0除外）。假设你有一个数值52（二进制00110100，Byte类型，无符号），那么~52（VB.NET中的Not 52）的计算方式为：

A	0	0	1	1	0	1	0	0
~A	1	1	0	0	1	0	1	1

将11001011转换成十进制为203，所以~52（Byte类型）的值为203。

C#和VB.NET中按位非运算符的使用，参见下面代码：

[C#]

[VB.NET]

 

左移运算符（<<）

左移运算符工作方式

x<

如图所示，每位均向左移动1个位置，右边空出来的位置补0。所以154<<1等于52。154<

154 << 0 (= 154)	1	0	0	1	1	0	1	0
154 << 1	0	0	1	1	0	1	0	0
154 << 2	0	1	1	0	1	0	0	0
154 << 3	1	1	0	1	0	0	0	0
154 << 4	1	0	1	0	0	0	0	0
154 << 5	0	1	0	0	0	0	0	0
154 << 6	1	0	0	0	0	0	0	0
154 << 7	0	0	0	0	0	0	0	0
154 << 8	0	0	0	0	0	0	0	0

C#和VB.NET中左移运算符的使用，参见下面代码：

[C#]

[VB.NET]

使用左移运算符计算2的幂

1<

[C#]

[VB.NET]

 

右移运算符（>>）

右移运算符工作方式

x>>n表示将x的二进制格式的每位均向右移动n个位置，左边空出来的位置补0（与左移相反）。

如上图所示，每位均向右移动1个位置。所以155>>1的值为77。注意如果为负数，那么它的符号会被隐藏掉。

下表显示的是计算155>>n的值：

155 >> 0	1	0	0	1	1	0	1	1
155 >> 1	0	1	0	0	1	1	0	1
155 >> 2	0	0	1	0	0	1	1	0
155 >> 3	0	0	0	1	0	0	1	1
155 >> 4	0	0	0	0	1	0	0	1
155 >> 5	0	0	0	0	0	1	0	0
155 >> 6	0	0	0	0	0	0	1	0
155 >> 7	0	0	0	0	0	0	0	1
155 >> 8	0	0	0	0	0	0	0	0

C#和VB.NET中的右移运算符的使用，参见下面代码：

[C#]

[VB.NET]

使用右移运算符计算x/（2的幂）

x>>n的值等于x/（2的n次方），比如8>>2的值为8/（2的2次方），也就是8/4。

[C#]

[VB.NET]

当然，这种方式的计算速度也要高于8/Math.Pow(2,2);

[C#]

[VB.NET]

 

循环按位移动

循环按位左移

循环按位左移会将数值的二进制格式中的每位均向左移动1个位置，然后将移出来的数值（1或0）替补到右边空白处。

上图显示了将154循环按位向左移动1位，它的值等于154<<1|154>>7。循环按位左移得到的结果可以归纳为：a<>(b-n)。b为数值的位数，如果数值为Byte类型，那么最后的结果为a<>(8-n)，如果数值为Int32类型，那么b为32，最后的结果为a<>(32-n)。

C#和VB.NET中循环按位左移的使用，可以参见下面：

[C#]

[VB.NET]

循环按位右移

循环按位右移会将数值的二进制格式的每位均向右移动1个位置，然后将移出来的数值（1或0）替补到左边空白处。

如上图所示，将155循环按位右移1个位置，最后它的值等于155>>1|155<<7。循环按位右移得到的结果可以归纳为：a>>n|a<<(b-n)。其中b为数值位数。如果数值为Byte类型，那么结果为a>>n|a<<(8-n)，如果数值为Int32类型，那么得到的结果为a>>n|a<<(32-n)。

C#和VB.NET中循环按位右移的使用，可以参见下面代码：

[C#]

[VB.NET]

译者注：在使用位操作符时，一定要先确定被操作的数值是什么类型，占多少位，同一个数值，数据类型不同，最后得到的结果不一样。原文中，对于任何一个数值（比如52），都在强调它是Byte类型还是Int16类型。