位操作

为什么要在「位」这一层思考？

程序里的 int flags 看起来是一个整数，但在 CPU 和硬件寄存器里，它是一串 0/1 位。嵌入式驱动要读「第 3 位是否为 1」、网络协议要把多个小标志塞进 2 字节、权限系统要用一个 unsigned 同时表示读/写/执行——这些都离不开按位操作。

想象一排开关面板：每个开关只占一位，你可以单独拨动某个开关，而不必把整个面板换成新数字。C 的 位操作（bit fiddling） 就是直接拨这些开关。

没有位运算，你只能除法取余、多次比较——慢、难读，也写不出紧凑的寄存器映射。这一章还涉及 bit-field，让 struct 成员只占若干 bit。

多种进制：同一数值的不同写法

日常用十进制；硬件与调试更常用 二进制、八进制、十六进制——它们都是同一整数的不同书写方式，不是不同数值。

unsigned n = 42u;
printf("dec %u oct %o hex %x\n", n, n, n);
/* dec 42 oct 52 hex 2a */

C11 字面量可写 052（八进制）和 0x2A（十六进制），但尚不支持 0b00101010；二进制整数常量到 C23 才进入标准。printf 的 %o、%x 期待 unsigned int，必须让实参类型匹配；格式与实参类型不匹配会产生未定义行为。

二进制（binary） 与硬件位一一对应。十六进制每个数字恰表示 4 bit，便于读长位串（如 0xFF 表示低 8 位全 1）。

按位运算符：& | ^ ~

四个二元（逐 bit）与一个一元：

注意：按位 & 与逻辑 && 不同。a & b 对每一位运算；a && b 只看「是否为 0」，且会短路。标志位操作几乎总是用 unsigned 配合按位运算符。

掩码：置位、清位、翻转、测试

#define FLAG_READ  (1u << 0)   /* 0b0001 */
#define FLAG_WRITE (1u << 1)   /* 0b0010 */
#define FLAG_EXEC  (1u << 2)   /* 0b0100 */
 
unsigned flags = 0;
flags |= FLAG_READ;              /* 置位 */
flags &= ~FLAG_WRITE;            /* 清位 */
flags ^= FLAG_EXEC;              /* 翻转 */
if (flags & FLAG_READ) { ... }   /* 测试 */

掩码（mask） 常由 1u << n 或若干位组合，但目标若比 unsigned 更宽，掩码也要用 UINT64_C(1) 等同宽类型。~ 翻转的是提升后操作数类型的全部位；问题核心是类型宽度和整数转换，不是含糊的“符号扩展”。

位移：左移和右移

位移（shift） 运算符：

unsigned x = 5;      /* 0b...0101 */
unsigned a = x << 2; /* 0b...010100 → 20 */
unsigned b = x >> 1; /* 0b...0010  → 2  */

位字段 bit-field：在 struct 里压缩位宽

当多个成员各只需几位时，可用 位字段（bit-field）：

struct Status {
    unsigned ready : 1;
    unsigned mode  : 3;
    unsigned error : 4;
    unsigned flags : 8;
};
 
struct Status s;
s.ready = 1;
s.mode = 5;

位字段不能取地址，也不能作为 sizeof 或 _Alignof 的操作数。C11 可移植位字段基础类型是 _Bool、signed int、unsigned int，实现还可接受其他类型。未命名的零宽字段可以要求下一个字段从新分配单元开始，但字段高低位顺序、跨单元规则和 padding 仍由实现决定，因此不可用于可移植协议。手动位移与掩码也必须再定义整数宽度和字节序。

对齐特性：_Alignas 与 _Alignof

C11 的 对齐特性 可以让接口表达对象地址约束：

#include <stddef.h>
#include <stdio.h>
 
struct packet_buffer {
    _Alignas(max_align_t) unsigned char bytes[64];
};
 
int main(void) {
    printf("packet alignment = %zu\n",
           _Alignof(struct packet_buffer));
    return 0;
}

_Alignof(type-name) 产生 size_t 常量，查询类型要求而不创建对象。_Alignas 只能指定实现支持的有效对齐，多个说明取最严格者，不能削弱对象本来的自然对齐。<stdalign.h> 在 C11 中提供 alignas、alignof 宏作为更易读拼写。

提高对象对齐可能增加结构体尾部 padding 和数组步长，并不决定位字段顺序、字节序或文件格式。把任意字节缓冲强制转换成某类型指针前，必须同时满足大小、对齐、有效对象表示和别名规则；“地址看起来是 16 的倍数”只解决其中一项。

代码详解：寄存器风格标志与提取

定义与读写 16 位「寄存器」

#include <stdint.h>
 
#define REG_ENABLE     (UINT16_C(1) << 0)
#define REG_MODE_MASK  UINT16_C(0xF)
#define REG_MODE_SHIFT 1u
 
uint16_t read_reg(void);   /* 假设从硬件读 */
void write_reg(uint16_t value);
 
void set_mode(uint16_t mode) {
    uint16_t reg = read_reg();
    uint16_t field_mask = (uint16_t)(REG_MODE_MASK << REG_MODE_SHIFT);
    reg = (uint16_t)((reg & (uint16_t)~field_mask) |
                     ((uint16_t)(mode << REG_MODE_SHIFT) & field_mask));
    write_reg(reg);
}

不用 bit-field 的可移植解析

uint16_t reg = read_reg();
uint16_t mode = (uint16_t)((reg >> REG_MODE_SHIFT) & REG_MODE_MASK);
int enabled = (reg & REG_ENABLE) != 0;

bit-field 示例（仅本机/嵌入式）

struct GPIO {
    unsigned pin0 : 1;
    unsigned pin1 : 1;
    unsigned pad  : 6;   /* 显式保留 */
};

容易踩的坑

小结

• 同一整数可用十/八/十六/二进制书写；printf %o/%x 按格式输出
• printf 的 %o/%x 需要 unsigned int；固定宽度值使用 inttypes.h 对应格式宏
• 掩码与目标保持同一无符号宽度；移位计数必须小于提升后类型的 sizeof * CHAR_BIT
• unsigned 左移按模运算，signed 左移有额外值域限制；负 signed 右移由实现定义
• bit-field 的分配顺序、单元和 padding 不可移植；线上格式使用固定宽度字段和显式字节序
• _Alignas/_Alignof 表达对象对齐要求，不规定位字段、结构体或文件布局

#include <stdint.h>
 
uint32_t high = 1 << 31;

#include <stdint.h>
 
uint32_t high = UINT32_C(1) << 31;

#define FLAG_READ  (1u << 0)
#define FLAG_WRITE (1u << 1)
 
static inline void set_flag(unsigned *f, unsigned m) { *f |= m; }
static inline void clear_flag(unsigned *f, unsigned m) { *f &= ~m; }
static inline void toggle_flag(unsigned *f, unsigned m) { *f ^= m; }
static inline int test_flag(unsigned f, unsigned m) { return (f & m) != 0; }
 
int main(void) {
    unsigned flags = 0;
    set_flag(&flags, FLAG_READ);
    clear_flag(&flags, FLAG_WRITE);
    return test_flag(flags, FLAG_READ) ? 0 : 1;
}

名词解释