【C语言】符号的深入理解（第二期）

兴博

1、按位运算符

1.1 按位或 ( | ) 和 按位与 ( & )

上期我们讲到过逻辑或和逻辑与，他们得到的结果是真假值，但我们一定要区分清楚，按位运算符 "|" 和 "&" 与逻辑运算符 "||" "&&" 是完全两个概念。
按位，简明之意，按数值二进制位来进行运算，都是在数据补码的基础上进行。
按位或 "|" ： 两个数值的二进制补码对应位进行运算，对应位有 1 则为 1 ，否则为 0。
按位与 "&"：两个数值的二进制补码对应位进行运算，对应位都为 1 则为 1， 否则为 0。
这里我们举例说明：
1 | 2 :
1 的二进制补码：0000 0000 ... 0000 0001
2 的二进制补码：0000 0000 ... 0000 0010
------按位或结果:  0000 0000 ... 0000 0011   -> 对应十进制：3      
1 & 2：
1 的二进制补码：0000 0000 ... 0000 0001
2 的二进制补码：0000 0000 ... 0000 0010
------按位与结果:  0000 0000 ... 0000 0000   -> 对应十进制：0      


其实有很多大学老师或者是书上都有可能把按位或，按位与，以及后面我们要讲的按位异或，他们会把每位二进制运算后的结果称为真或者假，其实这样的说法是不够严谨的，真假是逻辑判断，而按位运算得到的结果是数值，而且在C语言中0表示假，非0为真，所以我是不推荐这种说法
1.2 按位异或 ( ^ )  

按位或 "^" ： 两个数值的二进制补码对应位进行运算，相同为 0 ， 不同为 1。
这里我们举例说明：
1 ^ 3 :
1 的二进制补码：0000 0000 ... 0000 0001
3 的二进制补码：0000 0000 ... 0000 0011
---按位异或结果:  0000 0000 ... 0000 0010   -> 对应十进制：2     
5 ^ 0 :
5 的二进制补码：0000 0000 ... 0000 0101
0 的二进制补码：0000 0000 ... 0000 0000
---按位异或结果:  0000 0000 ... 0000 0101   -> 对应十进制：5     
结论：任何数异或0都等于它本身
这里有一道笔试题：不创建临时变量，实现两个数的交换。
//很多小伙伴直接想出来的做法：
int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
    a = a + b;
    b = a - b;
    a = a - b;
    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
    return 0;
}但是我们仔细研究下这段代码，他有没有什么隐藏的问题呢？
一个整型，占四个字节，也就是 32 个比特位，这里进行加法运算，就会产生进位，万一我们是两个很大的数相加呢？他们的和超过了整型最大存储范围，那么在计算机里面就会发生截断！为了避免发生这种现象，我们可以采取异或的方法来实现这道题：


最后还有一个很简单的按位取反操作符：~
用途：对一个数的二进制按位取反(包括它的符号位)

注意：以上的位运算符， 他们的操作数必须是整数！

1.3 一个关于整型提升的问题

有这样一串代码，问：为什么一个char类型大小可以求出来是4字节？


无论任何位运算符，都是要计算机进行计算的，而计算机中CPU具有运算能力，但计算的数据都是放在内存中的。所以，做任何运算，都必须将数据从内存拿到CPU的寄存器中。而寄存器默认的操作数宽度是32位，可是，char类型数据只有1个字节，也就是8位，不满足32位怎么办，这就需要整型提升了！（详细整型提升大家可以查阅资料哦）

如果是一个有符号数的话：高位补符号位
如果是一个无符号数的话：高位补0

2、移位操作符

2.1 左移<<   右移>>操作符

<< 左移运算符是一个双目运算符，功能是把左边的运算数的各个二进制位向左移动指定位数。
>> 右移运算符是一个双目运算符，功能是把右边的运算数的各个二进制位向右移动指定位数。
注意：
<< 左移：最低位丢弃，最高位补零

>> 右移：

• 无符号数：最低位丢弃，最高位补零 [逻辑右移]
  
• 有符号数：最低位丢弃，最高位补符号位 [算数右移]
  

以上在补码中进行运算
警告：移位运算符，请不要移动负数位，这是标准未定义的！
左移我们好说，主要是右移我们需要细讲一下：


明显看到，这是在无符号数下进行右移，第一个小伙伴都不会感到惊讶， 可是第二个就有点不理解了，我们来解释下：
这里有一个问题，当 -1 准备放入变量 b 的时候我们需要看-1的类型吗？
答案是不需要！内存中放的都是二进制补码，本质上是把 -1 的补码放入变量 b 当中，第二，右移操作符属于计算，需要在CPU中进行，所以需要先把内存中 -1 的补码拿到CPU寄存器中运算，按照我们的规则，右移中，无符号数低位丢弃高位补零，所以 -1 右移完成之后就变成了 0111 1111 ... 1111 1111，接着我们以 %d 有符号整型打印，就会把他当作有符号数看待，最高位是 0 所以被认为是正数，转化成十进制也就是如上打印的值
第二个我们来看下有符号数右移：


这个相信大家就很好理解了，第一个高位补符号位也就是补 0，低位丢弃，所以结果是 0，第二个高位补符号位也就是补 1，低位丢弃，值仍然不变，还是 -1。
注意：a>>1 并不会改变 a 变量的值，就好比如 a + 1。这样写才会改变：a = a >> 1;
2.2 习题练习

学完了上期的逻辑操作符，和本期的移位操作符，我们来练练手：
请你设计一个宏可以指定数据第几个比特位更改为 1 ，并设计一个函数将各个比特位打印出来。
//参考
#define SETBIT(a, num) ((a) |= (1 << (num - 1)) )

void PrintBit(int a)
{
    int num = 31;
    while (num >= 0)
    {
        if ((a & (1 << num)))
            printf("1");
        else
            printf("0");
        --num;
    }
    printf("\n");
}

int main()
{
    int a = 0;
    SETBIT(a, 5);
    PrintBit(a);
    return 0;
}3、++ 和 -- 的操作

3.1 基本操作

其实这节知识点理解起来是很简单的，只不过总有些学校喜欢出一些很拉跨的题目：
int i = 3; 问：(++i) + (++i) + (++i) 的值是多少？
我的建议是，看到这类题，直接空着，你也可以在下面添一句，“ 你礼貌吗？”
这种表达式，在任何编译器下算出来的结果是不一样的！


对于这种问题没必要去争论谁对谁错， 如果有人想跟你杠的话，那么你直接告诉他，你真的超级高水平。
好了，言归正传，我们来说一下 ++ 和 -- 的基本理解：

• 前置++ -- ： 先自增(减)，再使用
  
• 后置++ -- ： 先使用，再自增(减) 如果没有变量接收，那么直接自增。
  

例子：


基本使用就是这么多，接下来我们从汇编角度来深度理解一下：
3.2 从汇编角度深入理解 a++

既然我们知道，后置++ 是先使用后++，如果我们单纯的就 ++ 一下呢，他这个值被使用到了哪里去了呢？
int main()
{
    int a = 0xDD;
    int b = a++; //有b接收，那么a的先使用是将a的值(内容),放到b中
    int c = 0xEE;
    c++; //没有接收方，那么"先使用"，如何理解？

    return 0;
} vs2019编译器反汇编：


结论：后置++ 完整的含义是先使用，在自增，如果没有变量接收，那么直接自增。

注意：在不同的编译器可能处理过程不同，不过这是一个基本的研究过程，比单纯的理论学习更严谨。
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