深入理解c#位運算：掌握位運算符的妙用

1. 開頭一問

本文開始前，先給出站長前幾天面試，一位面試官c語言大佬給的一題：

int i = 255;
i <<= 24;
i >>= 24;

問題：

1. 最终i 等于多少？
2. 如果i是uint类型，最终i结果是多少？

2. c#位運算

c#位運算是一種強大的工具，可以在處理二進位數據和位操作時發揮重要作用。通過使用位運算符，我們可以對整數進行位級別的操作，如位與、位或、位異或和位取反等。位運算可以用於優化性能、壓縮數據、實現位掩碼和位標誌等。了解和掌握c#位運算的基本原理和常見應用場景，將使我們能夠更高效地處理二進位數據，並在某些情況下提高代碼的性能和可讀性。通過深入理解c#位運算，我們可以在編程中發揮更大的創造力和靈活性。

本节内容主要参考文章：C# 中使用位运算（与、或、非 & | ^）进行数据校验和c# 位运算符_c#位运算符-CSDN博客。

要學會位運算，首先要清楚什麼是位運算？程式中的所有內容在計算機內存中都是以二進位的形式儲存的（即：0或1），位運算就是直接對在內存中的二進位數的每位進行運算操作。

在c#中可以對整型運算對象按位進行邏輯運算。按位進行邏輯運算的意義是：依次取被運算對象的每個位，進行邏輯運算，每個位的邏輯運算結果是結果值的每個位。c#支持的位邏輯運算符如表所示。

2.1. ~：位邏輯非運算

位邏輯非運算是單目的，只有一個運算對象。位邏輯非運算按位對運算對象的值進行非運算，即：如果某一位等於0，就將其轉變為1;如果某一位等於1，就將其轉變為0。

比如，對二進位的10010001進行位邏輯非運算，結果等於01101110，用十進位表示就是：

_{145等於110;對二進位的01010101進行位邏輯非運算，結果等於10101010。用十進位表示就是}85等於176。

int a = 1001 0001;	// 十进制：145
int b = ~a;			// b = 0110 1110，即十进制：110

来复杂的，看这篇文章c# 位运算符_c#位运算符-CSDN博客：

int a = 13;
int b = -14;

Console.WriteLine(~a);	// -14
Console.WriteLine(~b);	// 13;

這個是怎麼操作二進位的呢，首先要要記住一些原則：

*：符號位的長度與類型定義有關，c#中int的符號位為1位 **：c#中數值以補碼存儲

以下展示兩者的原碼間如何轉換

int b	= 1 1110; // 前面的1表示符号位
反码	= 1 0001; // 符号位不变
补码	= 1 0010; // 反码加1
补码取反	= 0 1101; // 得到新的反码就是结果a，连同符号位一起反)

int a = 0 1101;
a的补码	= 0 1101;
补码取反	= 1 0010; // 此时为b的补码了
补码转反码 = 1 0001; // 即减1
反码转原码 = 1 1110; // 就是结果b的源码

經過多次實驗得到一個規律就是：

~(+a)= -(a+1);（正數按位取反只需要把當前數加1然後改成負的）

~(-a)= (+a-1);（負數按位取反只需要把當前數先當做正數，然後減1得到結果）

2.2. $：位邏輯與運算

位邏輯與運算將兩個運算對象按位進行與運算。與運算的規則：1與1等於1，1與0等於0。

示例代碼：

int a = 13;
int b = 14;
int result = a & b;	// 12

轉換為二進位：

int a = 0000 1101;
int b = 0000 1110;
int result = 0000 1100;

&運算符會對二進位相同位置上面的0和1進行對比，當相同位置數字相同時就返回這個相同的數，否則就返回0，是不是和&&運算符判斷兩個bool 一致則返回true,否則返回false類似。所以我們得到了result這個結果，轉化成十進位就是12了。

2.3. |：位邏輯或運算

位邏輯或運算將兩個運算對象按位進行或運算。或運算的規則是：1或1等1，1或0等於1，

示例代碼：

int a = 13;
int b = 14;
int result = a | b;	// 15

轉換為二進位：

int a = 0000 1101;
int b = 0000 1110;
int result = 0000 1111;

其實判斷方式是一樣的，只是返回的結果不一樣，|運算符判斷兩個二進位相同位置的0和1，只要其中一個位置的數字是1就返回1，是不是和||運算符同樣很類似，只要一個true則返true，再把得到的結果轉化成10進位就是15了。

2.4. ^：位邏輯異或運算

位邏輯異或運算將兩個運算對象按位進行異或運算。異或運算的規則是：1異或1等於0，

1異或0等於1，0異或0等於0。即：相同得0，相異得1。

示例代碼：

int a = 13;
int b = 14;
int result = a ^ b;	// 3

轉換為二進位：

int a = 0000 1101;
int b = 0000 1110;
int result = 0000 0011;

從中可以看出，^ 判斷相同位置上面的數字時，如果兩個數相同，不論是0還是1都返回0，如果其中一個為1就返回1。而|是只要有一個只要位置上一個為1就返回1，所以名字叫異或（不同的返回或）。

2.5. <<：位左移運算

位左移运算将整个数按位左移若干位，左移后空出的部分0。比如：8位的byte型变量byte a=0x65(即二进制的01100101),将其左移3位：a<<3的结果是0x27(即二进制的00101000)。

byte a = 0110 0101;
a <<= 3;//0010 1000

將第一個操作數向左移動第二個操作數指定的位數，空出的位置補0。 左移相當於乘.左移一位相當於乘2;左移兩位相當於乘4;左移三位相當於乘8。

 x<<1= x*2 
 x<<2= x*4 
 x<<3= x*8 
 x<<4= x*16

2.6. >>：位右移運算

位右移运算将整个数按位右移若干位，右移后空出的部分填0。比如：8位的byte型变量byte a=0x65(既（二进制的01100101）)将其右移3位：a>>3的结果是0x0c(二进制00001100)。

byte a = 0110 0101;
a >>= 3;//0000 1100

將第一個操作數向右移動第二個操作數所指定的位數，空出的位置補0。

右移相當於整除.右移一位相當於除以2; 右移兩位相當於除以4; 右移三位相當於除以8。

 x>>1= x/2 
 x>>2= x/4 
 x>>3= x/8 
 x>>4= x/16

3. 總結及問題答案

看微软文档位运算符和移位运算符两点注意

1. 位运算和移位运算永远不会导致溢出，并且不会在已检查和未检查的上下文中产生相同的结果。
2. 移位运算符仅针对 int、uint、long 和 ulong 类型定义，因此运算的结果始终包含至少 32 位。如果左侧操作数是其他整数类型（sbyte、byte、short、ushort 或 char），则其值将转换为 int 类型。

這裡給出文章開頭問題的答案及答案解析結束本文：

int i = 255;	// 00000000 00000000 00000000 11111111
i <<= 24;		// 11111111 00000000 00000000 00000000
i >>= 24;		// 11111111 11111111 11111111 11111111;

修改i数据类型为uint：

uint i = 255;	// 00000000 00000000 00000000 11111111
i <<= 24;		// 11111111 00000000 00000000 00000000
i >>= 24;		// 00000000 00000000 00000000 11111111;

int和uint位移后结果不同的原因：

1. 對於有符號整數的右移操作，會將最高位的符號位也一同右移。這意味著如果原始數值的最高位是1，那麼右移後，符號位會被保留，即填充1。這種右移操作被稱為算術右移。
2. 對於無符號整數的右移操作，不會保留符號位，而是將最高位的0也一同右移。這種右移操作被稱為邏輯右移。

本文如果有錯誤的地方歡迎指正，文中參考資料：

• https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/operators/bitwise-and-shift-operators
• c# 位运算符
• C# 中使用位运算（与、或、非 & | ^）进行数据校验