C语言 位掩码

1、位运算基础

位运算是处理二进制数据的基本操作。

2、位掩码简介

位掩码（Bit Masking） 是使用 掩码（Mask） 与数据进行按位操作，以提取、修改或检查特定位的值。

掩码通常是一个特定的二进制模式，用于操作数据中的特定位。

#include <stdio.h>

#define MASK 0x0F  // 00001111，掩码定义

int main() {
    int value = 0x3A;  // 00111010
    int result = value & MASK;  // 只保留低 4 位

    printf("Result: %X\n", result); // 输出: A (1010)

    return 0;
}

3、常见的位掩码操作

1）检查某个位是否为 1

使用 AND (&) 操作符，num & mask 只保留 mask 所在位，其它位清零。如果结果 ≠ 0，则该位为 1。

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 0b10101100;  // 172 (二进制: 10101100)
    int mask = 0b00000100; // 4，对应二进制的第三位（从右往左，从0开始）

    if (num & mask) {
        printf("第 3 位是 1\n");
    } else {
        printf("第 3 位是 0\n");
    }

    return 0;
}

2）设置某个位为 1

使用 OR (|) 操作符，OR 操作将 mask 指定位设置为 1，其余位保持不变。

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 0b10100000;  // 初始值 160 (二进制: 10100000)
    int mask = 0b00000100; // 掩码 4 (二进制: 00000100) - 对应设置第 3 位

    num = num | mask;      // 使用按位或运算符设置第 3 位

    printf("新值: %d\n", num);  // 164 (二进制: 10100100)

    return 0;
}

3）清除某个位（设为 0）

使用 AND (&) + NOT (~)，~mask 使 mask 指定位变为 0，其他位保持 1。AND 操作清除该位，其他位不变。

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 0b10101100;  // 172
    int mask = 0b00000100; // 4，对应第三位

    // 清除 num 的第 3 位
    num = num & ~mask;

    printf("新值: %d\n", num); // 输出 168 (10101000)
    
    return 0;
}

4）翻转某个位

使用 XOR (^)，XOR 操作：1 ^ 1 = 0，0 ^ 1 = 1。只改变 mask 指定的位，其余位不变。

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 0b10101100;  // 172
    int mask = 0b00000100; // 4，对应第三位

    // 使用异或操作翻转 num 的第三位
    num = num ^ mask;

    // 输出翻转后的结果
    printf("新值: %d\n", num);  // 168 (10101000)

    return 0;
}

4、其他应用

1）提取特定位

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 0b11011010; // 218 (十进制)
    int mask = 0b00001111; // 用于提取低 4 位
    int result = num & mask; // 按位与运算，保留低 4 位

    printf("低 4 位: %d\n", result); // 10 (0b1010)
    printf("低 4 位 (二进制): 0b%b\n", result); // GCC 特殊扩展，非标准 C

    return 0;
}

2）组合多个标志（Flags）

使用 OR (|) 设置多个标志。使用| 组合多个权限标志。使用 & 检查是否具有某个权限。

#include <stdio.h>

#define FLAG_READ   0b0001  // 1
#define FLAG_WRITE  0b0010  // 2
#define FLAG_EXEC   0b0100  // 4

int main() {
    int permissions = FLAG_READ | FLAG_WRITE; // 读 + 写权限

    if (permissions & FLAG_READ) {
        printf("有读权限\n");
    }
    if (permissions & FLAG_WRITE) {
        printf("有写权限\n");
    }
    if (!(permissions & FLAG_EXEC)) {
        printf("没有执行权限\n");
    }

    return 0;
}

3）使用位掩码压缩数据

存储 RGB 颜色（8 位 R、8 位 G、8 位 B），使用 << 左移位存储颜色分量。使用 & 0xFF 提取颜色值。

#include <stdio.h>

int main() {
    unsigned int color = 0;
    
    // 设置 R、G、B 值
    color |= (0x12 << 16); // 红色分量 (0x12)
    color |= (0x34 << 8);  // 绿色分量 (0x34)
    color |= (0x56);       // 蓝色分量 (0x56)

    printf("颜色编码: 0x%X\n", color); // 颜色编码: 0x123456

    // 解析 RGB 颜色
    int red   = (color >> 16) & 0xFF;
    int green = (color >> 8) & 0xFF;
    int blue  = color & 0xFF;

    printf("R: %X, G: %X, B: %X\n", red, green, blue); // R: 12, G: 34, B: 56

    return 0;
}