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【C语言】符号的深度理解

2022-07-04 20:33:00 程序猿教你打篮球

篮球哥温馨提示:编程的同时不要忘记锻炼哦!

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目录

1、按位运算符

1.1 按位或 ( | ) 和 按位与 ( & )

1.2 按位异或 ( ^ )  

1.3 一个关于整型提升的问题 

2、移位操作符 

2.1 左移<<   右移>>操作符

2.2 习题练习 

3、++ 和 -- 的操作

3.1 基本操作 

3.2 从汇编角度深入理解 a++


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或者,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:

  1. 无符号数:最低位丢弃,最高位补零 [逻辑右移]
  2. 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 ++-- 的基本理解:

  1. 前置++ -- : 先自增(减),再使用
  2. 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。 

Calm, mature and precipitated

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