C Primer Plus 學習筆記（第 15 章）：位操作完全指南 —— 位邏輯、移位、掩碼、位字段

15.1 二進制基礎

• 位：最小信息單位，0/1。
• 字節：8 位 (現代系統標準)。
• 有符號整數表示：二進制補碼 (Two's Complement) 統治一切。
  • 正數：最高位 0，值同原碼。
  • 負數：對應正數按位取反 + 1。
    例：-5 (8位) → 00000101 → 取反 11111010 → +1 11111011 (即 0xFB)。
  • 優勢：唯一零表示、加減法統一、硬件簡單。
• 浮點數：IEEE 754 標準 (符號位 + 指數位 + 尾數位)，非重點。

15.2 位邏輯運算符

15.3 掩碼技術

掩碼：特定位為 1、其餘為 0 的常量，用於操作目標值的特定位。

#define MASK_BIT(n) (1u << (n)) // 第 n 位為 1 (從 0 開始)

unsigned int flags = 0;

// 置位 (開啟第 3 位)
flags |= MASK_BIT(3);

// 清零 (關閉第 3 位)
flags &= ~MASK_BIT(3);

// 翻轉 (切換第 3 位)
flags ^= MASK_BIT(3);

// 檢查 (第 3 位是否為 1)
if (flags & MASK_BIT(3)) { ... }

// 批量操作
#define READY_MASK  0x01 // bit 0
#define ERROR_MASK  0x02 // bit 1
#define BUSY_MASK   0x04 // bit 2
flags |= READY_MASK | BUSY_MASK; // 同時置位
flags &= ~(ERROR_MASK | BUSY_MASK); // 同時清零

15.4 移位運算符

實用技巧：顏色分量提取

#define BYTE_MASK 0xFF

unsigned long color = 0x002A162F; // RRGGBB
unsigned char red   =  color        & BYTE_MASK;       // 2F
unsigned char green = (color >> 8)  & BYTE_MASK;       // 16
unsigned char blue  = (color >> 16) & BYTE_MASK;       // 2A

實用技巧：反轉整數最後 n 位

int invert_end(int num, int bits) {
    unsigned int mask = 0;
    for (int i = 0; i < bits; i++) mask |= (1u << i); // 低 bits 位全 1
    return num ^ mask;
}

15.5 位字段

在結構體中指定成員佔用的位數，編譯器自動打包。

struct PrinterFlags {
    unsigned int auto_feed : 1;
    unsigned int bold      : 1;
    unsigned int underline : 1;
    unsigned int italic    : 1;
    unsigned int reserved  : 28; // 填充到 32 位
} prnt;

prnt.bold = 1;       // 直接賦值 0/1
prnt.italic = 0;
// 編譯器自動生成掩碼、移位代碼

位字段細節

• 類型必須是 int、signed int、unsigned int (C99 允許 _Bool)。
• 寬度不可超過類型位寬。
• 內存佈局實現定義 (位順序、跨邊界處理)，不可用於網絡協議/文件格式 (需手動打包)。
• sizeof(struct) 通常為 4/8 字節 (對齊單位)。
• 無法取址 &prnt.bold (非字節對齊)。

15.6 綜合案例：簡易權限系統

enum Perm { READ = 1<<0, WRITE = 1<<1, EXEC = 1<<2, ADMIN = 1<<3 };

void grant(int *perm, int p) { *perm |= p; }
void revoke(int *perm, int p) { *perm &= ~p; }
bool check(int perm, int p) { return (perm & p) == p; }

int main() {
    int user = 0;
    grant(&user, READ | WRITE);
    printf("Has READ? %d\n", check(user, READ)); // 1
    revoke(&user, WRITE);
    printf("Has WRITE? %d\n", check(user, WRITE)); // 0
    return 0;
}

避坑指南

1. 有符號移位 UB：左移導致符號位改變、右移負數 → 改用無符號類型。
2. 移位寬度 ≥ 類型寬度：1 << 32 (32位 int) 為 UB → 用 1ull << 32。
3. 位字段不可移植：跨平台/網絡傳輸手動 htonl/掩碼打包。
4. 優先用標準庫：<stdint.h> 固定寬度、<stdatomic.h> 原子位操作 (C11)。