一、掩码运算
1.什么是掩码？
计算机中最小的单位是字节，一个字节代表8个二进制位。在实际的应用中许多信息并不需要使用一个字节来表示。例如表示当前系统运行是否正常，这种标志的取值只有0和1两种。因此使用是个完整的字节保存该标志就很浪费了。
这些标志为是以位的形式存储的，因此当需要提取这些标志位的时候就需要使用掩码。掩码是人为生成的整数值，配合基本的位运算，可以提取变量中指定的位。其基本思想是将变量中所需要的位保持，其它位清零。
例如下面的程序：
1#include <stdio.h> 2 3int main(void) 4{ 5 unsigned char a, b; 6 unsigned char mask = 0x30; //二进制00111000 7 a = 0xff; //测试用的数据 8 b = a & mask; //使用掩码得出数据a的第4~6位 9 printf("the flag b is : 0x%x\n", b); 10 return 0; 11}
运行结果为：
在Linux中许多标志位都使用这种概念，将标志位聚集以节省存储空间。典型的一个应用是Linux文件的权限标志位。一个Linux文件往往有需索标志位，最基本的实现应当具有九个标志位，分别是所有者、组用户和其它用户的读写执行位。
二、不安全的位运算
由于不同体系结构中变量的大小是不相同的，因此在使用掩码进行操作的过程中会遇到一些问题。以下是一个不安全运算的例子：
1#include <stdio.h> 2 3int main(void) 4{ 5 int a = 0x3; //在16位计算机上运行，这时int占2个字节 6 int b = 0xfffe; 7 printf("the result is : 0x%x\n", a & b); 8 return 0; 9}
在16位状态下运行看起来好像没什么问题，但是如果将此代码放到一个整型变量占4个字节的系统上，这时a&0xfffe的结果就不正确了，由于a是一个无符号整型，而b是一个短整型，在位与运算时会将b扩展为一个无符号整型数，这时b实际上变成0x0000fffe，这样运算后不仅会将最低一位置0，也会将其高16位置0.
为了预防移植性的问题，需要使用更好的代码：
1#include <stdio.h> 2 3int main(void) 4{ 5 int a = 0x1234567f; 6 7 /** 8 * b为整数1取反，不论在32为系统还是16位系统上 9 * ～1均可保证最低位是“0”，而高位均为1 10 */ 11 int b = ~1; 12 printf("the result is : 0x%x\n", a & b); 13 return 0;
使用这个方法，代码就具有了良好的移植性，可以在任何字长的机器中进行移植，编译系统会根据体系结构来确定常量值占用的字节，这样操作数的长度就根据运行平台确定，这种使用方法是安全的。
三、异或运算的特性
异或运算是C语言运算符中使用频率很高的一个运算。异或又称XOR运算符，它规定若参与运算的两个二进制位相同，则结果为0，不同为1：
0 ^ 0 == 0, 0 ^ 1 == 1, 1 ^ 0 == 1, 1 ^ 1 == 0
1.与1相异或--取原值的相反值
假设有01111010，与11111111做异或运算：
1 01111010 2^ 11111111 3 10000101
2.与0异或--保留原值
假设有01111010，与00000000做异或操作如下：
1 01111010 2^ 00000000 3 01111010
利用这两个特性可以实现对某些位的快速翻转，而其它的位保持不变。下面实例演示了异或运算的这种特性。该程序首先定义了一个变量flags，flags变量中的第三个位代表一个标志位，这个标志相当于一个开关，现在需要迅速将这个标志位的值取反：
1#include <stdio.h> 2 3int main(void) 4{ 5 int flags = 0xfffffff7; //存储标志位的整型数据 6 int mask = 0x08; //掩码 7 printf("the first 0x%x\n", flags=flags ^ mask); 8 9 printf("the srcond 0x%x\n", flags ^ mask); 10 return 0; 11}
运行结果为：
3.交换两个值，不需要用临时变量
异或运算可以实现交换两个变量而不使用临时变量，而且这个交换不用担心变量会溢出。例如交换a和b：
1a = a ^ b; //① 2b = b ^ a; //② 3a = a ^ b; //③
这时候a和b的值已经交换。下面用一个实例说明这一点：
1 a = 011 2^ b = 100 3 a = 111 (a ^ b的结果) 4^ b = 100 5 b = 011 (b ^ a的结果) 6^ a = 111 7 a = 100 (a ^ b的结果)
公式推导：
- 将式①带入式②得：b = b^a = b^a^b，根据交换律得b = a^b^b。由于b^b等于0，a^0等于a，所以b = a^0 = a，即b = a 。
- 将式①②分别带入③得：a = a^b = (a^b)^(b^a^b) = a^a^b^b^b = 0^b = b，即a = b 。
由此可以编写一个实现两个变量交换的程序：
1#include <stdio.h> 2 3int main(void) 4{ 5 int a, b; 6 a = 2; 7 b = 3; 8 a = a ^ b; 9 b = b ^ a; 10 a = a ^ b; 11 printf("a is : %d, b id : %d\n", a, b); 12 return 0; 13}
运行结果：
四、移位运算
1.移位运算的陷阱
在进行移位运算的操作时，需要特别注意的是运算符的操作数一定要小于移位数据的长度。例如int a，在移位时所移位数不能超过31.如果超过，结果是未定义的也就是结果未知。如下代码：
1#include <stdio.h> 2 3int main(void) 4{ 5 int a = 32; 6 int x = 0xFFFFFFFF; //定义一个整型 7 printf("%d\n", 0xFFFFFFFF >> 32); //右移32位，结果未定义 8 printf("%d\n", x >> 32); //右移32位，结果未定义 9 printf("%d\n", 0xFFFFFFFF >> a); //右移32位，结果未定义 10 return 0; 11}
编译器会提示警告：
正确的移位操作的移位数不能超过变量长度减1：
1#include <stdio.h> 2 3int main(void) 4{ 5 int a = 31; 6 int x = 0xFFFFFFFF; //定义一个整型 7 printf("%d\n", 0xFFFFFFFF >> 31); //右移31位 8 printf("%d\n", x >> 31); //右移31位，最高位变为最低位 9 printf("%d\n", 0xFFFFFFFF >> a); //右移31位 10 return 0; 11}
输出结果为：
第一个输出1是因为0xFFFFFFFF会被C编译器解释为无符号整数，在右移时最高位补符号位即0，因此移位后最低位为1，其余位为0 。
第二次输出-1是因为x是一个有符号整型，所以0xFFFFFFFF的最高位1会被解释为符号位，右移最高位补符号位即1，所以移位后32位都是1，结果就是-1 。
2.移位运算的实例
实现变量a的循环右移。所谓循环右移就是右移时低位移出部分补到高位上：
步骤：
1.将a右端（低位）的n位放到b中的高位
b = a << (32 - n);
2.将a右移n位高位补0
c = a >> n;
注意：由于不同平台处理时会出现偏差，所以在执行此步骤是应加上对a高位的清楚，所以应写成如下形式：
1c = a >> n; 2c = c & ~(~0 << n); //保证c的高位不会出现由于移位产生的“1”的干扰
3.将b和c进行 | 运算
c = c | b;
则变量c中保存的就是所要的结果。
程序如下：
1#include <stdio.h> 2 3int right_shift(int a, int n) 4{ 5 int b, c; 6 b = a << (32 - n); 7 c = a >> n; 8 c = c & ~(~0 << (32 - n)); 9 c = c | b; 10 return c; 11} 12 13int main(void) 14{ 15 int a, b; 16 a = 8; 17 b = right_shift(a, 4); //循环右移4位 18 printf("the result : 0x%x\n", b); 19 return 0;
运行结果：
