《c primer plus》c语言学习笔记整理（十五）-位操作

第十五章 位操作

1.二进制数、位、字节
（1）二进制整数
c语言用字节表示储存系统字符集所需的大小，所以c字节可能是8位，9位，16位或其他值。
不过描述存储器芯片和数据传输率中所用的字节指的是8位字节。
（2）有符号整数
1）如何表示有符号整数取决于硬件，而不是c语言
2）二进制补码是当今最常用的系统
3）二进制反码：通过反转位组合中的每一位形成一个负数。
4）要得到一个二进制补码数的相反数，最简单的方法是反转每一位，然后加1.
（3）二进制浮点数
浮点数分为两部分储存：二进制小数和二进制i指数
1）二进制小数：二进制表示法只能精确地表示多个1/2的幂的和，许多分数不能用十进制表示法精确地表示，许多分数也不能用二进制表示法准确地表示，二进制小数中，使用2的幂作为分母（3/4，7/8可以精确表示，1/3和2/5）
2）浮点数表示法：留出若干位（因系统而异）储存二进制分数，其他位储存指数，一般而言数字的实际值是由二进制小数乘以2的指定次幂组成。
2.其他进制数
（1）八进制
1）每个八进制位对应3个2进制位
2）用0-7表示数字，基于8的幂
3）八进制唯一不方便的地方：一个3位的八进制数可能要用9位二进制数表示
（2）十六进制
3.c按位运算符
（1）按位逻辑运算符
针对每一个位进行，不影响它左右两边的位，4个按位运算符都用于整型数据，包括char。
1）二进制反码或按位取反：~，该运算符不会改变变量的值，但是创建了一个新值可以赋值给其他变量。
2）按位与&：通过逐位比较两个运算符号，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的时候，结果才为1.（位上都为真）
3）按位或|：一个位为真，结果就为真
4）按位异或：两个运算对象中相应的一个位为真且不是两个同为1，那么结果为真。
（2）用法：掩码
按位与运算符（&）常用于掩码，掩码是指的是一些设置为开或关的位组合，掩码中的0看作不透明，1看作透明的。（某个位的值不变，其余位用0掩盖）
（3）用法：打开位（设置位）

flags = flags I MASK;

使用按位或运算符（|），任何与0组合，结果都为本身，任何与1结合，结果都为1.
（4）用法：关闭位（清空位）

flags = flags & ~MASK;

（5）用法：切换位

flags = flags  MASK;
flags ^= MASK;

打开已关闭的位，或关闭已打开的位，使用按位异或运算符（^）切换位。
（6）用法：检查位的值
1）用掩码覆盖变量的其他位，只用需要检查位的值来与MASK比较：

if ((flags & MASK) == MASK)
	puts ("Wow!") ;

2）按位运算符的优先级比==低，所以必须加上括号。
3）为了避免信息漏过边界，掩码至少要和其覆盖的值的宽度相同。
（7）移位运算符
1）左移：<<，移出左末端位的值丢失，用0填充空出的位置：该操作产生一个新值，但是不改变其运算对象。

(10001010) << 2 //表达式
(001010)		// 结果值

2）右移：>>移出右末端位的值丢失。对于无符号类型，用0填充空出的位置，对于有符号类型，结果取决于机器。空出的位置可用0填充，或者用符号位（即：最左端的位）的副本填充

(10001010) >> 2		//表达式,有符号值
(00100010)		//在某些系统中的结果值
(10001010) >> 2	//表达式,有符号值
(11000010)		//在另一些系统上的结果

3）用法：针对2的幂提供快速有效的乘法和除法
类似于在十进制中移动小数点来乘以或者除以10.

number < n	//number乘以2的n次暴
number >> n	//如果number为非负,则用number除以2的n次幂

4.位字段
（1）位字段示例
1）位字段是一个signed int或unsigned int类型变量中的一组相邻的位（C99和C11新增了_Bool类型的位字段）。
2）通过一个结构声明建立，该结构声明为每个字段提供标签，并确定该字段的宽度。
3）带有位字段的结构提供一种记录设置的方便途径，许多设置（如，字体的粗体或斜体）就是简单的二选一，有时候有些设置也需要多个选择，因此需要多位来表示。
4）要确保赋值不超过字段可容纳的范围
5）如果声明的总位数超过了一个unsigned int类型的大小，会用到下一个unsigned int类型的存储位置。
6）一个字段不允许跨越两个unsigned int之间的边界，编译器会自动移动跨界的字段，保持unsigned int的边界对齐。第一个unsigned int中会留下洞，可以用未命名的字段宽度“填充”未命名的洞，使用一个宽度为0的未命名字段迫使下一个字段与下一个整数对齐。

struct {
	unsigned int fieldl: 1;
	unsigned int:2;
	unsigned int field2:1;
	unsigned int:0;
	unsigned int field3:1;
}stuff;

fields3将储存在下一个unsigned int中。
7）字段储存在一个int中的顺序取决于机器，在有些机器上是从左往右，有些机器上是从右往左。不同机器中两个字段边界的位置也有区别，由于这些原因，位字段通常不容易移植。
8）通常把位字段当作一种更紧凑存储数据的方式。
9）c以unsigned int作为位字段结构的基本布局单元，即使一个结构唯一的成员是1位字段，该结构的大小也是一个unsigned int类型的大小。
5.对齐特性
C11的对齐特性比用位填充字节更自然，他们代表了C在处理硬件相关问题上的能力，对齐指的是如何安排对象在内存中的位置。
（1）对齐方式：

size t d align = Alignof (float);

_Alignof运算符给出一个类型的对齐要求，在关键字_Alignof后面的圆括号写上类型名即可
（2）一般而言对齐值都应该是2的非负整数次幂。较大的对齐值被称为stricker或stronger，较小的对齐值被称为weaker。
（3）可以使用_Alignas说明符指定一个变量或类型的对齐值，但是不应该要求该值小于基本对齐值。该说明符作为声明的一部分，说明符后面的圆括号包含对齐值或类型。
（4）在程序中包含stdalign.h头文件，就可以把alignas和alignof分别作为_Alignoas和_Alignof的别名，这样可以与C++关键字匹配。
（5）C11在stdlib。h中添加了一个新的内存分配函数，用于对齐动态分配的内存，原型如下：

void *aliqned alloc(size t aliqnment, size t size);

参数1代表指定的对齐，参数2代表所需的字节数，其值为第一个参数的倍数，与其他内存分配函数一样，要使用free（）函数释放之前分配的内存。
总结：通常，使用位字段、对齐功能特性的程序，仅限于特定的硬件平台或操作系统，而且设计为不可移植的。