• 深入理解C#位运算:掌握位运算符的妙用
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一. 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:
int i = 255;
i <<= 24;
i >>= 24;
问题:
最终i 等于多少?

如果i是uint类型,最终i结果是多少?


二. 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。

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
~ 位逻辑运算,按位取反 整型,字符型 整型 1 ~a
& 位逻辑运算,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
<< 左移运算 同上 同上 2 a<<4
>> 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。

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

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:
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:
int a = 13;
int b = 14;
int result = a & b; // 12
转换为二进制:
  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:
int a = 13;
int b = 14;
int result = a | b; // 15
转换为二进制:
  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:
int a = 13;
int b = 14;
int result = a ^ b; // 3
转换为二进制:
  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)。
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。
 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)。
 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。
 x>>1= x/2 
 x>>2= x/4 
 x>>3= x/8 
 x>>4= x/16
三. 总结及问题答案
看微软文档位运算符和移位运算符两点注意:
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:
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:
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:
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。
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。

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