计算机系统基础，数据的位运算操作

c语言的位运算操作包括两类，逻辑运算操作和逻辑移位操作。

逻辑运算操作

c语言提供了四种按位逻辑操作符，分别是按位取反，按位与，按位或，按位异或。在编译时，编译器会根据操作数的宽度分别转换为不同的指令。

操作 c语言操作符 汇编指令 按位取反 ~ notb、notw、notl 按位与 & andb、andw、andl 按位或 l orb、orw、orl 按位异或 ^ xorb、xorw、xorl

注意: c语言的逻辑与(&&)、逻辑或(||)、逻辑非(!)并没有对应的机器指令，而是由多条指令联合来实现这些功能，完成以变量为单位的逻辑操作。

下面我们以一个简单的c语言程序test.c来了解逻辑运算操作过程。

#include <stdio.h>void main() {int a=5;unsigned int b=3;short c=5;int d=0;a = ~a;b = ~b;c = ~c;d = a&b;d = a^b;d = a|b;return;}

利用gcc命令将其进行编译成可执行文件。

gcc -o0 -m32 -g test.c -o test

利用objdump命令进行反汇编并将其重定向到test.txt文件方便查看。

objdump -s test>test.txt

main函数所对应的汇编指令如下所示。

000004ed <main>:#include <stdio.h>void main() { 4ed:55                   push   %ebp 4ee:89 e5                mov    %esp,%ebp 4f0:83 ec 10             sub    $0x10,%esp 4f3:e8 48 00 00 00       call   540 <__x86.get_pc_thunk.ax> 4f8:05 e4 1a 00 00       add    $0x1ae4,%eaxint a=5; 4fd:c7 45 f4 05 00 00 00 movl   $0x5,-0xc(%ebp)unsigned int b=3; 504:c7 45 f8 03 00 00 00 movl   $0x3,-0x8(%ebp)short c=5; 50b:66 c7 45 f2 05 00    movw   $0x5,-0xe(%ebp)int d=0; 511:c7 45 fc 00 00 00 00 movl   $0x0,-0x4(%ebp)a = ~a; 518:f7 55 f4             notl   -0xc(%ebp)b = ~b; 51b:f7 55 f8             notl   -0x8(%ebp)c = ~c; 51e:66 f7 55 f2          notw   -0xe(%ebp)d = a&b; 522:8b 45 f4             mov    -0xc(%ebp),%eax 525:23 45 f8             and    -0x8(%ebp),%eax 528:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)d = a^b; 52b:8b 45 f4             mov    -0xc(%ebp),%eax 52e:33 45 f8             xor    -0x8(%ebp),%eax 531:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)d = a|b; 534:8b 45 f4             mov    -0xc(%ebp),%eax 537:0b 45 f8             or     -0x8(%ebp),%eax 53a:89 45 fc             mov    %eax,-三字经读后感300字0x4(%ebp)return; 53d:90                   nop} 53e:c9                   leave   53f:c3                   ret    

由以上代码可以看出a,b,c取反的三个操作分别对应以下指令。

a = ~a; 518:f7 55 f4             notl   -0xc(%ebp)b = ~b; 51b:f7 55 f8             notl   -0x8(%ebp)c = ~c; 51e:66 f7 55 f2          notw   -0xe(%ebp)

其中变量a和变量b的取反指令都是notl,处理的是4字节的变量。而变量c的取反指令执行的是notw,执行的是2字节的变量。这也就说明了编译器会根据操作数的宽度分别转换为不同的指令。

下表给出c语言基本数据和类型和ia-32操作数类型的对应关系

c语言声明 汇编指令长度后缀 存储长度 (unsigned) char b 8 (unsigned) short w 16 (unsigned) int l 32 (unsigned) long int l 32 (unsigned) long long int – 2 $\times$ 32 char * l 32 float s 32 double l 64 long double t 80/96

仍然以下面这样一个简单的c语言程序来理解逻辑与(&&)、逻辑或(||)、逻辑非(!)和按位逻辑操作符的区别。

#include <stdio.h>void main() {int a=5;unsigned int b=3;short c=5;int d=0;a = !a;b = !b;c = !c;d = a&&b;d = a||b;return;}

利用gcc命令将其进行编译，objdump命令进行反汇编之后，main函数所对应的汇编指令如下所示。

000004ed <main>:#include <stdio.h>void main() { 4ed:55                   push   %ebp 4ee:89 e5                mov    %esp,%ebp 4f0:83 ec 10             sub    $0x10,%esp 4f3:e8 82 00 00 00       call   57a <__x86.get_pc_thunk.ax> 4f8:05 e4 1a 00 00       add    $0x1ae4,%eaxint a=5; 4fd:c7 45 f4 05 00 00 00 movl   $0x5,-0xc(%ebp)unsigned int b=3; 504:c7 45 f8 03 00 00 00 movl   $0x3,-0x8(%ebp)short c=5; 50b:66 c7 45 f2 05 00    movw   $0x5,-0xe(%ebp)int d=0; 511:c7 45 fc 00 00 00 00 movl   $0x0,-0x4(%ebp)a = !a; 518:83 7d f4 00          cmpl   $0x0,-0xc(%ebp) 51c:0f 94 c0             te   %al 51f:0f b6 c0             movzbl %al,%eax 522:89 45 f4             mov    %eax,-0xc(%ebp)b = !b; 525:83 7d f8 00          cmpl   $0x0,-0x8(%ebp) 529:0f 94 c0             te   %al 52c:0f b6 c0             movzbl %al,%eax 52f:89 45 f8             mov    %eax,-0x8(%ebp)c = !c; 532:66 83 7d f2 00       cmpw   $0x0,-0xe(%ebp) 537:0f 94 c0             te   %al 53a:0f b6 c0             movzbl %al,%eax 53d:66 89 45 f2          mov    %ax,-0xe(%ebp)d = a&&b; 541:83 7d f4 00          cmpl   $0x0,-0xc(%ebp) 545:74 0d                je     554 <main+0x67> 547:83 7d f8 00          cmpl   $0x0,-0x8(%ebp) 54b:74 07                je     554 <main+0x67> 54d:b8 01 00 00 00       mov    $0x1,%eax 552:eb 05                jmp    559 <main+0x6c> 554:b8 00 00 00 00       mov    $0x0,%eax 559:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)d = a||b; 55c:83 7d f4 00          cmpl   $0x0,-0xc(%ebp) 560:75 06                jne    568 <main+0x7b> 562:83 7d f8 00          cmpl   $0x0,-0x8(%ebp) 566:74 07                je     56f <main+0x82> 568:b8 01 00 00 00       mov    $0x1,%eax 56d:eb 05                jmp    574 <main+0x87> 56f:b8 00 00 00 00       mov    $0x0,%eax 574:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)return;

机器指令逻辑非(!)实现的操作解释,以a = !a这个作为例子：

a = !a; 518:83 7d f4 00          cmpl   $0x0,-0xc(%ebp) 51c:0f 94 c0             te   %al 51f:0f b6 c0             movzbl %al,%eax 522:89 45 f4             mov    %eax,-0xc(%ebp)

首先将变量a与常数0进行比较，如果相等就置寄存器al为1小学语文二年级上册，不等则置为0，然后再把寄存器al的值扩展0扩展送到eax寄存器中，再从寄存器eax中送回到变量a的地址当中。

机器指令逻辑与(&&)实现的操作解释，以d = a&&b来解释。

d = a&&b; 541:83 7d f4 00          cmpl   $0x0女生可爱网名大全,-0xc(%ebp) 545:74 0d                je     554 <main+0x67> 547:83 7d f8 00          cmpl   $0x0,-0x8(%ebp) 54b:74 07                je     554 <main+0x67> 54d:b8 01 00 00 00       mov    $0x1,%eax 552:eb 05                jmp    559 <main+0x6c> 554:b8 00 00 00 00       mov    $0x0,%eax 559:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)

首先将变量a与0进行相比，如果变量a等于0，就跳到554这个位置，也就是执行指令mov $0x0,%eax，就是把0送到寄存器eax里面，再送到变量d当中。如果变量a不等于0，就用变量b与0相比，如果b等于0，也是跳转到554这个位置去将最终的结果设置为0，如果变量b也不等于0，就把1送到寄存器eax当中，将最终的结果设置为1。

机器指令逻辑或(||)实现的操作解释，以d = a||b来解释

d = a||b; 55c:83 7d f4 00          cmpl   $0x0,-0xc(%ebp) 560:75 06                jne    568 <main+0x7b> 562:83 7d f8 00          cmpl   $0x0,-0x8(%ebp) 566:74 07                je     56f <main+0x82> 568:b8 01 00 00 00       mov    $0x1,%eax 56d:eb 05                jmp    574 <main+0x87> 56f:b8 00 00 00 00       mov    $0x0,%eax 574:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)

首先将变量a与0进行相比，如果变量a不等于0，就跳转到558这个位置，也就是执行指令mov $0x1,%eax，把1送到寄存器eax里面，无条件转到574这个位置，并将eax的值送到变量d当中。如果变量a等于0,就将变量b与0比较，如果b等于0，就跳转到56f这个位置，去将最终的结果设置为0。

逻辑移位操作

c语言的移位操作包括逻辑左移，算术左移，逻辑右移，算术右移等四种。

操作 c语it创业疯魔史言操作符 汇编指令 逻辑左移 << shlb、shlw、shll 算术左移 << salb、salw、sall 逻辑右移 >> shrb、shrw、shrl 算术右移 >> sarb、sarw、sarl

注意：ia-32中的其他移位指令没有对应的c语言操作，如想实现循环移位指令，需要编写多条语句来实现。

逻辑移位和算术移位的c语言操作符相同，编译器会根据操作数的不同来选择不同的指令。无符号数采用逻辑移位指令，有符号数采用算术移位指令。逻辑和算术的区别在于友移时最高位补0还是补符号位。算术右移补入符号位，逻辑右移补入0。

我们仍然以一个简单的c语言指令来为大家介绍逻辑移位操作的汇编指令。

#include <stdio.h>void main(){int a = 0x80000000;unsigned int b = 0x80000000;short c = 0x8000;unsigned short d = 0x8000;a=a>>4;b=b>>4;a=c;a=d;b=c;b=d;return;}

利用gcc命令将其进行编译，objdump命令进行反汇编之后，main函数所对应的汇编指令如下所示

000004ed <main>:#include <stdio.h>void main(){ 4ed:55                   push   %ebp 4ee:89 e5                mov    %esp,%ebp 4f0:83 ec 10             sub    $0x10,%esp 4f3:e8 46 00 00 00       call   53e <__x86.get_pc_thunk.ax> 4f8:05 e4 1a 00 00       add    $0x1ae4,%eaxint a = 0x80000000; 4fd:c7 45 f8 00 00 00 80 movl   $0x80000000,-0x8(%ebp)unsigned int b = 0x80000000; 504:c7 45 fc 00 00 00 80 movl   $0x80000000,-0x4(%ebp)short c = 0x8000; 50b:66 c7 45 f4 00 80    movw   $0x8000,-0xc(%ebp)unsigned short d = 0x8000; 511:66 c7 45 f6 00 80    movw   $0x8000,-0xa(%ebp)a=a>>4; 517:c1 7d f8 04          sarl   $0x4,-0x8(%ebp)b=b>>1千克多少斤;4; 51b:c1 6d fc 04          shrl   $0x4,-0x4(%ebp)a=c; 51f:0f bf 45 f4          movswl -0xc(%ebp),%eax 523:89 45 f8             mov    %eax,-0x8(%ebp)a=d; 526:0f b7 45 f6          movzwl -0xa(%ebp),%eax 52a:89 45 f8             mov    %eax,-0x8(%ebp)b=c; 52d:0f bf 45 f4          movswl -0xc(%ebp),%eax 531:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)b=d; 534:0f b7 45 f6          movzwl -0xa(%ebp),%eax 538:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)return;

从sarl $0x4,-0x8(%ebp)这条指令可以清楚的看到当执行a右移4位的操作时，因为a是有符号数，所以执行的就是算术右移，对应的汇编指令sarl。而执行b右移时，因为b是无符号数，所以执行的是逻辑右移指令，对应汇编指令shrl。

a=c; 51f:0f bf 45 f4          movswl -0xc(%ebp),%eax 523:89 45 f8             mov    %eax,-0x8(%ebp)a=d; 526:0f b7 45 f6          movzwl -0xa(%ebp),%eax 52a:89 45 f8             mov    %eax,-0x8(%ebp)b=c; 52d:0f bf 45 f4          movswl -0xc(%ebp),%eax 531:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)b=d; 534:0f b7 45 f6          movzwl -0xa(%ebp),%eax 538:89 45 fc             mov    %eax,-0x4(%ebp)

由这8条指令可以看出，在执行a=c的时候，执行的是符号扩展指令，z=d时执行的是零扩展指令，b=c时执行的是符号扩展指令，b=d时执行的是零扩展指令。因此我们可以看出，执行符号扩展还是零扩展是由等号右边的变量类型决定的，与等号左边的变量类型无关。

位运算的作用

可实现特定的功能：取特定位、保留特定位 周期短速度快：左移、右移可用于实现快速的整数乘、除法 可实现其他功能：原位交换

ps：交换变量a和变量b的值

普通方法

c = a; a = b; b = c;

位操作交换法

a = a^b; b = b^a; a = a^b;

位操作法原理：

b = b^(a^b) = b^a^b = b^b^a = aa = (a^b)^(b^(a^b)) = a^b^b^a^b = b

转自：/d/file/titlepic/12748929.html