HOWTO · C
如何在 C 语言中比较位
本文演示如何在 C 语言中比较位。
本页内容
按位运算是计算机编程的基础，尤其是在处理底层数据操作时。在 C 语言中，有几种比较单个位或位组的方法。
在本文中，我们将探讨不同的技术，并附上代码示例来演示每种方法。
在 C 语言中使用按位 XOR 和 AND 运算实现按位比较的自定义函数
按位 AND 运算符（&）用于对两个操作数的对应位执行按位比较。此运算产生一个新值，其中每个位仅当两个操作数中的对应位都被设置时才被设置。
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
unsigned int num1 = 9; // Binary representation: 1001
unsigned int num2 = 6; // Binary representation: 0110
unsigned int result = num1 & num2;
printf("Result: %u\n", result); // Output: 0 (Binary: 0000)
return 0;
}
输出：
Result: 0
在此示例中，num1 和 num2 分别用值 9 和 6 初始化。这些值以二进制表示为 1001 和 0110。
num1 和 num2 之间的按位 AND 运算（num1 & num2）结果以二进制表示为 0000，以十进制表示为 0。这意味着 num1 和 num2 中没有同时被设置的对应位。
同时，按位 XOR 运算符（^）用于对两个操作数的对应位执行按位比较。此运算产生一个新值，其中每个位在操作数中的对应位不同时被设置。
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
unsigned int num1 = 9; // Binary representation: 1001
unsigned int num2 = 6; // Binary representation: 0110
unsigned int result = num1 ^ num2;
printf("Result: %u\n", result); // Output: 9 (Binary: 1001)
return 0;
}
输出：
Result: 15
在此示例中，按位 XOR 运算（num1 ^ num2）结果以二进制表示为 1001，以十进制表示为 9。这意味着 num1 和 num2 中的对应位不同。
通常，位比较需要访问单个位值并进行所需的操作，例如使用 union 和 struct 关键字实现位字段。
但是，按位运算提供了一种比较数字中指定位的更有效方法。在这种情况下，我们将实现一个适用于 u_int32_t 类型的单独函数，该类型保证具有 32 位宽度。
下面的示例程序将三个整数用作命令行参数，其中前两个是要比较的数字，而第三个整数指定第 n 位。注意，我们使用 strtol 转换 argv 元素，因此在以 u_int32_t 类型存储返回值时会损失一些精度。
compareBits 函数声明两个存储中间值的局部变量 - mask 和 tmp。我们通过将 1 向左移动 nth - 1 个位置来设置 mask 中的第 n 位。
然后，对两个用户输入数字进行 XOR 运算，以得到每个位置的位差，并在结果中以设置的位表示不同的值。最后，我们需要从第 n 个位置提取该位，并检查该值是否为 0。
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
bool compareBits(u_int32_t n1, u_int32_t n2, u_int32_t nth) {
u_int32_t mask, tmp;
mask = 1 << (nth - 1);
tmp = n1 ^ n2;
if ((tmp & mask) == 0)
return true;
else
return false;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
u_int32_t num1, num2, bit;
if (argc != 4) {
fprintf(stderr, "Usage: %s integer1 integer2 nth_bit \n", argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
num1 = strtol(argv[1], NULL, 0);
num2 = strtol(argv[2], NULL, 0);
bit = strtol(argv[3], NULL, 0);
compareBits(num1, num2, bit) ? printf("bits equal!\n")
: printf("bits not equal!\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
示例文件格式：
./main 1234 1231 1
输入文件格式：
bits not equal!
例如，整数 1234 和 1231 以二进制分别表示为 00000000000000000000010011010010 和 00000000000000000000010011001111。
因此，对这两个数进行 XOR 运算得到二进制表示 00000000000000000000000000011101，最终将其与掩码 00000000000000000000000000000010 进行 AND 运算，以提取单个位位置的值。如果结果全为零，则意味着比较的位相等；否则，恰恰相反。
不过，或者，我们可以缩短 compareBits 函数，并将 XOR/AND 运算移动到 return 语句中，如以下示例代码所示。注意，该函数返回按位 XOR/AND 运算的逻辑相反值，因为我们在调用方函数中使用 ? : 三元语句输出相应的消息。
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
bool compareBits(u_int32_t n1, u_int32_t n2, u_int32_t nth) {
u_int32_t mask;
mask = 1 << (nth - 1);
return !((n1 ^ n2) & mask);
}
int main(int argc, char *argv[]) {
u_int32_t num1, num2, bit;
if (argc != 4) {
fprintf(stderr, "Usage: %s integer1 integer2 nth_bit \n", argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
num1 = strtol(argv[1], NULL, 0);
num2 = strtol(argv[2], NULL, 0);
bit = strtol(argv[3], NULL, 0);
compareBits(num1, num2, bit) ? printf("bits equal!\n")
: printf("bits not equal!\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
示例文件格式：
./main 1234 1231 2
输入文件格式：
bits equal!
在 C 语言中使用按位 OR（|）运算符进行位比较
按位 OR 运算符（|）对两个操作数的对应位执行按位比较。此运算的结果是一个新值，其中每个位在任一操作数中的对应位至少有一个被设置时被设置。
当应用于一对位时，OR 运算遵循以下逻辑：
| `0 | 0` |
| `0 | 1` |
| `1 | 0` |
| `1 | 1` |
请看以下示例来说明按位 OR 运算：
#include <stdio.h>
int main() {
unsigned int num1 = 9; // Binary representation: 1001
unsigned int num2 = 6; // Binary representation: 0110
unsigned int result = num1 | num2;
printf("Result: %u\n", result); // Output: 15 (Binary: 1111)
return 0;
}
输出：
Result: 15
在此示例中，我们有两个无符号整数 num1 和 num2，分别用值 9 和 6 初始化。它们的二进制表示为 1001 和 0110。
当我们执行按位 OR 运算（num1 | num2）时，结果以二进制表示为 1111，以十进制表示为 15。这意味着 num1 或 num2 中至少有一个对应位被设置。
在 C 语言中使用按位 NOT（~）运算符进行位比较
按位 NOT 运算符（~）是一元运算符，意味着它对单个操作数进行运算。当应用于二进制数时，它会反转每个位，将 0 变为 1，将 1 变为 0。
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
unsigned int num = 9; // Binary representation: 1001
unsigned int result = ~num;
printf(
"Result: %u\n",
result); // Output: 4294967286 (Binary: 11111111111111111111111111111010)
return 0;
}
输出：
Result: 4294967286
在此示例中，我们声明一个无符号整数变量 num 并用值 9 初始化它。以二进制表示为 1001。
然后我们应用按位 NOT 运算符（~num）。这会反转所有位，得到二进制 11111111111111111111111111111010。
结果被打印到控制台，以十进制表示为 4294967286。
用于比较位的按位 NOT
按位 NOT 运算符的应用之一是比较位。通过反转变量的位，我们可以轻松检查某个特定位是被设置还是未被设置。
示例代码：
#include <stdio.h>
int main() {
unsigned int num = 9; // Binary representation: 1001
// Check if the 2nd bit is set
unsigned int mask = 1 << 1; // Shift 1 by 1 position to the left => 0002
unsigned int result = ~num & mask;
if (result == mask) {
printf("2nd bit is set.\n");
} else {
printf("2nd bit is not set.\n");
}
return 0;
}
输出：
2nd bit is set.
在此示例中，我们想检查变量 num 的第 2 位是否被设置。
我们首先通过将 1 向左移动 1 个位置（1 << 1）来创建一个掩码，得到二进制 0002。然后我们将按位 NOT 运算符应用于 num，得到二进制 11111111111111111111111111111010。
接下来，我们在反转后的 num 和掩码之间执行按位 AND 运算。这会隔离第 2 位。
如果结果等于掩码，则意味着第 2 位被设置，我们打印相应的消息。否则，我们打印一条消息，表明第 2 位未被设置。
结论
在这次对 C 语言按位运算符的全面探讨中，我们涵盖了 AND、OR 和 NOT 等基本运算。这些运算对于涉及底层数据操作的任务（例如数据压缩、加密和嵌入式系统编程）非常宝贵。
具体来说，我们深入探讨了使用按位 NOT（~）运算符来比较单个位。通过应用 ~ 运算符，我们可以轻松反转变量的位，从而能够检查某个特定位是被设置还是未被设置。这项技术在需要精确位级操作的场景中至关重要。
理解和掌握按位运算对于从事涉及与硬件直接交互的任务或需要针对资源受限环境提供优化解决方案的程序员至关重要。凭借从本文中获得的知识，您现在能够在自己的 C 编程项目中利用这些强大的工具。
