電腦系統基礎學習筆記(2)-數據的位運算操作

来源:https://www.cnblogs.com/xiangjunhong/archive/2020/04/21/12748929.html
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C語言的位運算操作包括兩類，邏輯運算操作和邏輯移位操作。 邏輯運算操作 C語言提供了四種按位邏輯操作符，分別是按位取反，按位與，按位或，按位異或。在編譯時，編譯器會根據操作數的寬度分別轉換為不同的指令。 | 操作|C語言操作符 | 彙編指令 | | | | | | 按位取反 |~ | notb、no ...


C語言的位運算操作包括兩類，邏輯運算操作和邏輯移位操作。

邏輯運算操作

C語言提供了四種按位邏輯操作符，分別是按位取反，按位與，按位或，按位異或。在編譯時，編譯器會根據操作數的寬度分別轉換為不同的指令。

操作 C語言操作符 彙編指令
按位取反 ~ notb、notw、notl
按位與 & andb、andw、andl
按位或 l orb、orw、orl
按位異或 ^ xorb、xorw、xorl

註意: C語言的邏輯與(&&)、邏輯或(||)、邏輯非(!)並沒有對應的機器指令，而是由多條指令聯合來實現這些功能，完成以變數為單位的邏輯操作。

下麵我們以一個簡單的C語言程式test.c來瞭解邏輯運算操作過程。

#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命令將其進行編譯成可執行文件。

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

利用objdump命令進行反彙編並將其重定向到test.txt文件方便查看。

objdump -S test>test.txt

main函數所對應的彙編指令如下所示。

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,%eax
	int 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,-0x4(%ebp)
	
	return;
 53d:	90                   	nop
}
 53e:	c9                   	leave  
 53f:	c3                   	ret

由以上代碼可以看出a,b,c取反的三個操作分別對應以下指令。

	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)

其中變數a和變數b的取反指令都是notl,處理的是4位元組的變數。而變數c的取反指令執行的是notw,執行的是2位元組的變數。這也就說明瞭編譯器會根據操作數的寬度分別轉換為不同的指令。

下表給出C語言基本數據和類型和IA-32操作數類型的對應關係

C語言聲明 彙編指令長度尾碼 存儲長度
(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

仍然以下麵這樣一個簡單的C語言程式來理解邏輯與(&&)、邏輯或(||)、邏輯非(!)和按位邏輯操作符的區別。

#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命令將其進行編譯，objdump命令進行反彙編之後，main函數所對應的彙編指令如下所示。

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,%eax
	int 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             	sete   %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             	sete   %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             	sete   %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;

機器指令邏輯非(!)實現的操作解釋,以a = !a這個作為例子：

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

首先將變數a與常數0進行比較，如果相等就置寄存器al為1，不等則置為0，然後再把寄存器al的值擴展0擴展送到eax寄存器中，再從寄存器eax中送回到變數a的地址當中。

機器指令邏輯與(&&)實現的操作解釋，以d = a&&b來解釋。

	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)

首先將變數a與0進行相比，如果變數a等於0，就跳到554這個位置，也就是執行指令mov $0x0,%eax，就是把0送到寄存器eax裡面，再送到變數d當中。如果變數a不等於0，就用變數b與0相比，如果b等於0，也是跳轉到554這個位置去將最終的結果設置為0，如果變數b也不等於0，就把1送到寄存器eax當中，將最終的結果設置為1。

機器指令邏輯或(||)實現的操作解釋，以d = a||b來解釋

	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)

首先將變數a與0進行相比，如果變數a不等於0，就跳轉到558這個位置，也就是執行指令mov $0x1,%eax，把1送到寄存器eax裡面，無條件轉到574這個位置，並將eax的值送到變數d當中。如果變數a等於0,就將變數b與0比較，如果b等於0，就跳轉到56f這個位置，去將最終的結果設置為0。

邏輯移位操作

C語言的移位操作包括邏輯左移，算術左移，邏輯右移，算術右移等四種。

操作 C語言操作符 彙編指令
邏輯左移 << shlb、shlw、shll
算術左移 << salb、salw、sall
邏輯右移 >> shrb、shrw、shrl
算術右移 >> sarb、sarw、sarl

註意：IA-32中的其他移位指令沒有對應的C語言操作，如想實現迴圈移位指令，需要編寫多條語句來實現。

邏輯移位和算術移位的C語言操作符相同，編譯器會根據操作數的不同來選擇不同的指令。無符號數採用邏輯移位指令，有符號數採用算術移位指令。邏輯和算術的區別在於友移時最高位補0還是補符號位。算術右移補入符號位，邏輯右移補入0。

我們仍然以一個簡單的C語言指令來為大家介紹邏輯移位操作的彙編指令。

#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命令將其進行編譯，objdump命令進行反彙編之後，main函數所對應的彙編指令如下所示

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,%eax
	int 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>>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;

從sarl $0x4,-0x8(%ebp)這條指令可以清楚的看到當執行a右移4位的操作時，因為a是有符號數，所以執行的就是算術右移，對應的彙編指令sarl。而執行b右移時，因為b是無符號數，所以執行的是邏輯右移指令，對應彙編指令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)

由這8條指令可以看出，在執行a=c的時候，執行的是符號擴展指令，z=d時執行的是零擴展指令，b=c時執行的是符號擴展指令，b=d時執行的是零擴展指令。因此我們可以看出，執行符號擴展還是零擴展是由等號右邊的變數類型決定的，與等號左邊的變數類型無關。

位運算的作用

  1. 可實現特定的功能：取特定位、保留特定位
  2. 周期短速度快：左移、右移可用於實現快速的整數乘、除法
  3. 可實現其他功能：原位交換
PS：交換變數a和變數b的值

普通方法

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

位操作交換法

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

以上內容就是本次我給大家分享的電腦系統基礎學習的筆記-數據的位運算操作，小編也是初次入門，有什麼地方寫的不對的，還請多多指教。覺得還不錯的點個贊支持一下小編，你的肯定就是小編前進的動力。另外如果想瞭解更多電腦專業的知識和技巧的，獻上我的個人博客北徯，另外需要各種資料的童鞋，可以關註我的微信公眾號北徯，免費的PPT模板，各種資料等你來領。
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  • wpf ToggleButton選中效果和一個登錄界面
    前言 QuestPDF 是一個開源 .NET 庫，用於生成 PDF 文檔。使用了C# Fluent API方式可簡化開發、減少錯誤並提高工作效率。利用它可以輕鬆生成 PDF 報告、發票、導出文件等。 項目介紹 QuestPDF 是一個革命性的開源 .NET 庫，它徹底改變了我們生成 PDF 文檔的方 ...
  • 彈幕樹洞項目功能新增篇
    項目地址 項目後端地址： https://github.com/ZyPLJ/ZYTteeHole 項目前端頁面地址： ZyPLJ/TreeHoleVue (github.com) https://github.com/ZyPLJ/TreeHoleVue 目前項目測試訪問地址： http://tree ...
  • 第27篇 sqlserver2022詳細安裝步驟
    話不多說，直接開乾 一.下載 1.官方鏈接下載： https://www.microsoft.com/zh-cn/sql-server/sql-server-downloads 2.在下載目錄中找到下麵這個小的安裝包 SQL2022-SSEI-Dev.exe，運行開始下載SQL server； 二. ...
  • .NET 開源高性能 MQTT 類庫
    前言 隨著物聯網（IoT）技術的迅猛發展，MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議憑藉其輕量級和高效性，已成為眾多物聯網應用的首選通信標準。 MQTTnet 作為一個高性能的 .NET 開源庫，為 .NET 平臺上的 MQTT 客戶端與伺服器開發提供了強大的支持。 本文將全面介紹 MQTTnet 的核心功能 ...
  • Serilog文檔翻譯系列（六） - 可用的接收器、增強器、格式化輸出
    Serilog支持多種接收器用於日誌存儲，增強器用於添加屬性，LogContext管理動態屬性，支持多種輸出格式包括純文本、JSON及ExpressionTemplate。還提供了自定義格式化選項，適用於不同需求。 ...
  • 警惕 Visual Studio 屬性求值副作用導致邏輯不符合預期
    目錄簡介獲取 HTML 文檔解析 HTML 文檔測試參考文章 簡介 動態內容網站使用 JavaScript 腳本動態檢索和渲染數據，爬取信息時需要模擬瀏覽器行為，否則獲取到的源碼基本是空的。 本文使用的爬取步驟如下： 使用 Selenium 獲取渲染後的 HTML 文檔 使用 HtmlAgility ...
  • [使用目前最新版]HybridCLR6.9.0+YooAsset2.2.4實現純C# Unity熱更新方案 (一)
    1.前言 什麼是熱更新 游戲或者軟體更新時，無需重新下載客戶端進行安裝，而是在應用程式啟動的情況下，在內部進行資源或者代碼更新 Unity目前常用熱更新解決方案 HybridCLR，Xlua，ILRuntime等 Unity目前常用資源管理解決方案 AssetBundles，Addressable， ...
  • 在 ASP.NET Core Web API 中使用操作篩選器統一處理通用操作
    本文章主要是在C# ASP.NET Core Web API框架實現向手機發送驗證碼簡訊功能。這裡我選擇是一個互億無線簡訊驗證碼平臺，其實像阿裡雲，騰訊雲上面也可以。 首先我們先去 互億無線 https://www.ihuyi.com/api/sms.html 去註冊一個賬號 註冊完成賬號後，它會送 ...
  • 第28篇 如何.net中實現高效可靠數據同步api
    通過以下方式可以高效，並保證數據同步的可靠性 1.API設計 使用RESTful設計，確保API端點明確，並使用適當的HTTP方法（如POST用於創建，PUT用於更新）。 設計清晰的請求和響應模型，以確保客戶端能夠理解預期格式。 2.數據驗證 在伺服器端進行嚴格的數據驗證，確保接收到的數據符合預期格 ...
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