C 語言基礎教程（二）：位元運算子完整指南——AND/OR/XOR/NOT、移位、循環移位實作與陷阱

位元運算子：C 語言貼近硬體的利器

僅適用於整數與字元型別 (及其變體)，對浮點數無效。結果可為 0/1 以外值，區別於邏輯運算。

六大位元運算子

位元 vs 邏輯運算子關鍵差異

int x = 7;
x && 8   == 1   /* 邏輯與：非零且非零 → 真 (1) */
x & 8    == 0   /* 位元與：0111 & 1000 = 0000 */

移位運算細節與陷阱

• 非循環：移出位元捨棄，另一端補 0 (無號) 或符號位 (有號)。
• 移位量 ≥ 位寬 = UB：x << 32 在 32-bit int 未定義。
• 有號負數右移：C 標準為實作定義，可攜程式僅對無號型別移位。
• 字元自動提升：char c; c << 2 中 c 先提升為 int 再移位。

循環移位 (Rotate) 純 C 實作

標準庫無內建，需自行組合：

/* 32-bit 無號整數循環左移 n 位 (0 < n < 32) */
uint32_t rotl32(uint32_t x, int n)
{
    return (x << n) | (x >> (32 - n));
}

/* 循環右移 */
uint32_t rotr32(uint32_t x, int n)
{
    return (x >> n) | (x << (32 - n));
}

/* 通用巨集 (需自行確保 0 < n < N) */
#define ROL(x, n, N) (((x) << (n)) | ((x) >> ((N) - (n))))
#define ROR(x, n, N) (((x) >> (n)) | ((x) << ((N) - (n))))

編譯器內建函數 (現代編譯器優化可識別上述模式)

常見應用場景

1. 位元旗標操作：flags |= MASK; flags &= ~MASK; flags ^= MASK;
2. 快速乘除 2 的冪次：x << 3 (×8), x >> 2 (÷4)。
3. 大小端轉換：(x << 24) | ((x << 8) & 0xFF0000) | ((x >> 8) & 0xFF00) | (x >> 24)。
4. 雜湊/加密攪拌：MurmurHash, xxHash, AES, SHA 大量使用旋轉、XOR、移位。
5. 嵌入式暫存器操作：REG |= (1 << BIT); 設定位，REG &= ~(1 << BIT); 清除位。

避坑清單

1. 對有號整數右移 (行為不確定)。
2. 移位量可能 ≥ 位寬 (UB)。
3. 混淆 & (位元和) 與 && (邏輯與)。
4. 修改字串常值指標指向的記憶體 (UB)。
5. 假設 ~x + 1 == -x 適用於無號數 (會溢位)。