Solidity位运算：与、或、非、异或、移位

Solidity位操作运算有助于缩减以太坊交易的成本。本文介绍以太坊智能合约开发语言Solidity中的位操作运算符，以及如何使用这些Solidity位操作符对合约数据执
行位操作运算，例如与、或、非、异或等，同时也介绍如何实现Soldity不支持的取反、移位等操作。

1、Solidity位操作概述

以太坊是一台世界计算机，虽然可能是最昂贵的那台。由于存储是最消耗gas的操作，因此时不时地需要精打细算，进行一些位操作，就像汇编开发者在芯片固件编程时所做的一样。这可以让你对数据有更多的控制并最终缩减交易成本。

以太坊智能合约开发语言Solidity支持基本的位操作运算，虽然目前还不支持左/右
位移。幸运的是有等价的算数运算。

所有的位操作都是逐位执行的，就和你比较两个不同的数组成员一样，都会按顺序逐位操作。注意：在位操作中0和1,分别对应false和true。

出于简化考虑，我将使用bytes1类型（和byte一样），不过更长的数据类型也是
同样的原理。在下面的例子中我们都是用相同的两个变量a和b：

在Solidity中，我们使用16进制表示的值来初始化这两个变量：

bytes1 a = 0xb5; //  [10110101]
bytes1 b = 0x56; //  [01010110]

2、与运算/AND

两个变量中都是1的位，其与计算/AND结果位才是1，否则都是0：

上图中黄色部分表示计算结果，可以看到只有当两个输入变量a和b的对应位都是1时，结果的响应位才是1。

在Solidity中，与操作符是&：

a & b; // 结果: 0x14  [00010100]

3、或运算/OR

在计算或操作结果的某一位时，只要任何一个输入变量的对应位是1，那么结果都是1：

在Solidity中，或操作符是|：

a | b; // 结果: 0xf7  [11110111]

4、异或运算/XOR

在计算异或运算结果的某一位时，只有当两个输入变量的对应位不一致时，结果才是1：

在Solidity中，异或操作符时^：

a ^ b; // 结果: 0xe3  [11100011]

异或运算有趣的一点是，你把结果和任意一个输入变量再做异或运算，就可以得到另一个输入变量：

0xe3 ^ a; // 结果: 0x56 == b  [01010110]

5、非运算/NEG

非运算是单目运算，只需要一个输入变量，它就是取反，原来是1结果就是0，原来是0结果就是1：

Solidity本身并不支持非运算，不过幸运的是你可以将变量与全1值异或，就得到同样的结果：

a ^ 0xff; // Result: 0x4a  [01001010]

6、移位运算/SHIFT

位移运算指的是向左或向右移动输入变量的位。

让我们先用十进制数来举个例子。例如对于下面的数值：

00001230

向左位移3位就得到：

01230000

换句话说，向左移动3位其实就是将原来的数乘以10的3次方。

同样，如果我们继续向右移动4位，结果就和将输入变量除以10的4次方一样：

00000123

上面的原理对于二进制移位运算也是适用的，因此当我们向左移N位时，就等价于乘以2的N次方；向右移M位时，就等价于除以2
的M次方。

由于Solidity目前不支持移位运算，因此我们需要借助于算数运算来实现同样的效果。

6.1 左移位

示例代码如下：

var n = 3; 
var aInt = uint8(a); // Converting bytes1 into 8 bit integer
var shifted = aInt * 2 ** n;
bytes1(shifted);     // Back to bytes. Result: 0xa8  [10101000]

6.2 右移位

示例代码如下：

var n = 2; 
var aInt = uint8(a); // Converting bytes1 into 8 bit integer
var shifted = aInt / 2 ** n;
bytes1(shifted);     // Back to bytes. Result: 0x2d  [00101101]

7、提取前N位

我们可以使用与操作来提取变量的前N位，方法就是创建一个掩码变量，其前N位都是1：

示例代码如下：

var n = 5;
var nOnes = bytes1(2 ** n - 1); // Creates 5 1s
var mask = shiftLeft(nOnes, 8 - n); // Shift left by 3 positions
a & mask; // Result: 0xb0  [10110000]

8、提取后N位

利用对2取模计算就可以提取变量的后N位，例如：

var n = 5;
var lastBits = uint8(a) % 2 ** n;
bytes1(lastBits); // Result: 0x15  [00010101]

9、数据压缩

有了上面的基础，我们就可以使用更少的存储空间来减少交易成本。例如，假设有两个变量其实都是只利用了4位，那么我们可以将其压缩到一个变量里：

示例代码如下：

bytes1 c = 0x0d;
bytes1 d = 0x07;
var result = shiftLeft(c, 4) | d; // 0xd7 [11010111]

完整源代码

下面是本文内容的完整源代码：

contract BitsAndPieces {
    
    function and(bytes1 a, bytes1 b) returns (bytes1) {
        return a & b;
    }
    
    function or(bytes1 a, bytes1 b) returns (bytes1) {
        return a | b;
    }
    
    function xor(bytes1 a, bytes1 b) returns (bytes1) {
        return a ^ b;
    }
    
    function negate(bytes1 a) returns (bytes1) {
        return a ^ allOnes();
    }
    
    function shiftLeft(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
        var shifted = uint8(a) * 2 ** n;
        return bytes1(shifted);
    }
    
    function shiftRight(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
        var shifted = uint8(a) / 2 ** n;
        return bytes1(shifted);
    }
    
    function getFirstN(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
        var nOnes = bytes1(2 ** n - 1);
        var mask = shiftLeft(nOnes, 8 - n); // Total 8 bits
        return a & mask;
    } 
    
    function getLastN(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
        var lastN = uint8(a) % 2 ** n;
        return bytes1(lastN);
    } 
    
    // Sets all bits to 1
    function allOnes() returns (bytes1) {
        return bytes1(-1); // 0 - 1, since data type is unsigned, this results in all 1s.
    }
    
    // Get bit value at position
    function getBit(bytes1 a, uint8 n) returns (bool) {
        return a & shiftLeft(0x01, n) != 0;
    }
    
    // Set bit value at position
    function setBit(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
        return a | shiftLeft(0x01, n);
    }
    
    // Set the bit into state "false"
    function clearBit(bytes1 a, uint8 n) returns (bytes1) {
        bytes1 mask = negate(shiftLeft(0x01, n));
        return a & mask;
    }
    
}

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原文链接：Solidity位操作 - 汇智网