【C語言】符號的深度理解

籃球哥溫馨提示：編程的同時不要忘記鍛煉哦！

You wangt somenthing, go get it!

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目錄

1、按比特運算符

1.1 按比特或 ( | ) 和 按比特與 ( & )

1.2 按比特异或 ( ^ )  

1.3 一個關於整型提昇的問題 

2、移比特操作符 

2.1 左移<<   右移>>操作符

2.2 習題練習 

3、++ 和 -- 的操作

3.1 基本操作 

3.2 從匯編角度深入理解 a++

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1、按比特運算符

1.1 按比特或 ( | ) 和 按比特與 ( & )

上期我們講到過邏輯或和邏輯與，他們得到的結果是真假值，但我們一定要區分清楚，按比特運算符 "|" 和 "&" 與邏輯運算符 "||" "&&" 是完全兩個概念。

按比特，簡明之意，按數值二進制比特來進行運算，都是在數據補碼的基礎上進行。

按比特或 "|" ： 兩個數值的二進制補碼對應比特進行運算，對應比特有 1 則為 1 ，否則為 0。

按比特與 "&"：兩個數值的二進制補碼對應比特進行運算，對應比特都為 1 則為 1， 否則為 0。

這裏我們舉例說明：

1 | 2 :

1 的二進制補碼：0000 0000 ... 0000 0001

2 的二進制補碼：0000 0000 ... 0000 0010 

------按比特或結果:  0000 0000 ... 0000 0011   -> 對應十進制：3      

1 & 2：

1 的二進制補碼：0000 0000 ... 0000 0001

2 的二進制補碼：0000 0000 ... 0000 0010 

------按比特與結果:  0000 0000 ... 0000 0000   -> 對應十進制：0      

其實有很多大學老師或者是書上都有可能把按比特或，按比特與，以及後面我們要講的按比特异或，他們會把每比特二進制運算後的結果稱為真或者假，其實這樣的說法是不够嚴謹的，真假是邏輯判斷，而按比特運算得到的結果是數值，而且在C語言中0錶示假，非0為真，所以我是不推薦這種說法。

1.2 按比特异或 ( ^ )  

按比特或 "^" ： 兩個數值的二進制補碼對應比特進行運算，相同為 0 ， 不同為 1。 

這裏我們舉例說明：

1 ^ 3 :

1 的二進制補碼：0000 0000 ... 0000 0001

3 的二進制補碼：0000 0000 ... 0000 0011 

---按比特异或結果:  0000 0000 ... 0000 0010   -> 對應十進制：2     

5 ^ 0 :

5 的二進制補碼：0000 0000 ... 0000 0101

0 的二進制補碼：0000 0000 ... 0000 0000 

---按比特异或結果:  0000 0000 ... 0000 0101   -> 對應十進制：5     

結論：任何數异或0都等於它本身

這裏有一道筆試題：不創建臨時變量，實現兩個數的交換。

//很多小夥伴直接想出來的做法：
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;
}

但是我們仔細研究下這段代碼，他有沒有什麼隱藏的問題呢？

一個整型，占四個字節，也就是 32 個比特比特，這裏進行加法運算，就會產生進比特，萬一我們是兩個很大的數相加呢？他們的和超過了整型最大存儲範圍，那麼在計算機裏面就會發生截斷！為了避免發生這種現象，我們可以采取异或的方法來實現這道題：

最後還有一個很簡單的按比特取反操作符：~

用途：對一個數的二進制按比特取反(包括它的符號比特)

注意：以上的比特運算符， 他們的操作數必須是整數！

1.3 一個關於整型提昇的問題 

有這樣一串代碼，問：為什麼一個char類型大小可以求出來是4字節？

無論任何比特運算符，都是要計算機進行計算的，而計算機中CPU具有運算能力，但計算的數據都是放在內存中的。所以，做任何運算，都必須將數據從內存拿到CPU的寄存器中。而寄存器默認的操作數寬度是32比特，可是，char類型數據只有1個字節，也就是8比特，不滿足32比特怎麼辦，這就需要整型提昇了！（詳細整型提昇大家可以查閱資料哦）

如果是一個有符號數的話：高比特補符號比特

如果是一個無符號數的話：高比特補0

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2、移比特操作符 

2.1 左移<<   右移>>操作符

<< 左移運算符是一個雙目運算符，功能是把左邊的運算數的各個二進制比特向左移動指定比特數。

>> 右移運算符是一個雙目運算符，功能是把右邊的運算數的各個二進制比特向右移動指定比特數。 

注意：

<< 左移：最低比特丟弃，最高比特補零

>> 右移：

1. 無符號數：最低比特丟弃，最高比特補零 [邏輯右移]
2. 有符號數：最低比特丟弃，最高比特補符號比特 [算數右移] 

以上在補碼中進行運算

警告：移比特運算符，請不要移動負數比特，這是標准未定義的！

左移我們好說，主要是右移我們需要細講一下：

明顯看到，這是在無符號數下進行右移，第一個小夥伴都不會感到驚訝， 可是第二個就有點不理解了，我們來解釋下：

這裏有一個問題，當 -1 准備放入變量 b 的時候我們需要看-1的類型嗎？

答案是不需要！內存中放的都是二進制補碼，本質上是把 -1 的補碼放入變量 b 當中，第二，右移操作符屬於計算，需要在CPU中進行，所以需要先把內存中 -1 的補碼拿到CPU寄存器中運算，按照我們的規則，右移中，無符號數低比特丟弃高比特補零，所以 -1 右移完成之後就變成了 0111 1111 ... 1111 1111，接著我們以 %d 有符號整型打印，就會把他當作有符號數看待，最高比特是 0 所以被認為是正數，轉化成十進制也就是如上打印的值。

第二個我們來看下有符號數右移：

這個相信大家就很好理解了，第一個高比特補符號比特也就是補 0，低比特丟弃，所以結果是 0，第二個高比特補符號比特也就是補 1，低比特丟弃，值仍然不變，還是 -1。 

注意：a>>1 並不會改變 a 變量的值，就好比如 a + 1。這樣寫才會改變：a = a >> 1; 

2.2 習題練習 

學完了上期的邏輯操作符，和本期的移比特操作符，我們來練練手：

請你設計一個宏可以指定數據第幾個比特比特更改為 1 ，並設計一個函數將各個比特比特打印出來。 

//參考
#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;
}

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3、++ 和 -- 的操作

3.1 基本操作 

其實這節知識點理解起來是很簡單的，只不過總有些學校喜歡出一些很拉跨的題目：

int i = 3; 問：(++i) + (++i) + (++i) 的值是多少？ 

我的建議是，看到這類題，直接空著，你也可以在下面添一句，“ 你禮貌嗎？”

這種錶達式，在任何編譯器下算出來的結果是不一樣的！

對於這種問題沒必要去爭論誰對誰錯， 如果有人想跟你杠的話，那麼你直接告訴他，你真的超級高水平。

好了，言歸正傳，我們來說一下 ++ 和 -- 的基本理解：

1. 前置++ -- ： 先自增(减)，再使用
2. 後置++ -- ： 先使用，再自增(减) 如果沒有變量接收，那麼直接自增。

例子：

基本使用就是這麼多，接下來我們從匯編角度來深度理解一下：

3.2 從匯編角度深入理解 a++

既然我們知道，後置++ 是先使用後++，如果我們單純的就 ++ 一下呢，他這個值被使用到了哪裏去了呢？

int main()
{
    int a = 0xDD;
    int b = a++; //有b接收，那麼a的先使用是將a的值(內容),放到b中
    int c = 0xEE;
    c++; //沒有接收方，那麼"先使用"，如何理解？

    return 0;
}

 vs2019編譯器反匯編：

結論：後置++ 完整的含義是先使用，在自增，如果沒有變量接收，那麼直接自增。

注意：在不同的編譯器可能處理過程不同，不過這是一個基本的研究過程，比單純的理論學習更嚴謹。 

Calm, mature and precipitated