计算机系统基础学习笔记(2)-数据的位运算操作
C语言的位运算操作包括两类，逻辑运算操作和逻辑移位操作。
逻辑运算操作
C语言提供了四种按位逻辑操作符，分别是按位取反，按位与，按位或，按位异或。在编译时，编译器会根据操作数的宽度分别转换为不同的指令。
| 操作 | C语言操作符 | 汇编指令 |
|---|---|---|
| 按位取反 | ~ | notb、notw、notl |
| 按位与 | & | andb、andw、andl |
| 按位或 | l | orb、orw、orl |
| 按位异或 | ^ | xorb、xorw、xorl |
注意: C语言的逻辑与(&&)、逻辑或(||)、逻辑非(!)并没有对应的机器指令，而是由多条指令联合来实现这些功能，完成以变量为单位的逻辑操作。
下面我们以一个简单的C语言程序test.c来了解逻辑运算操作过程。
#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命令将其进行编译成可执行文件。
gcc -o0 -m32 -g test.c -o test
利用objdump命令进行反汇编并将其重定向到test.txt文件方便查看。
objdump -S test>test.txt
main函数所对应的汇编指令如下所示。
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
由以上代码可以看出a,b,c取反的三个操作分别对应以下指令。
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)
其中变量a和变量b的取反指令都是notl,处理的是4字节的变量。而变量c的取反指令执行的是notw,执行的是2字节的变量。这也就说明了编译器会根据操作数的宽度分别转换为不同的指令。
下表给出C语言基本数据和类型和IA-32操作数类型的对应关系
| C语言声明 | 汇编指令长度后缀 | 存储长度 |
|---|---|---|
| (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 |
仍然以下面这样一个简单的C语言程序来理解逻辑与(&&)、逻辑或(||)、逻辑非(!)和按位逻辑操作符的区别。
#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命令将其进行编译，objdump命令进行反汇编之后，main函数所对应的汇编指令如下所示。
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;
机器指令逻辑非(!)实现的操作解释,以a = !a这个作为例子：
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)
首先将变量a与常数0进行比较，如果相等就置寄存器al为1，不等则置为0，然后再把寄存器al的值扩展0扩展送到eax寄存器中，再从寄存器eax中送回到变量a的地址当中。
机器指令逻辑与(&&)实现的操作解释，以d = a&&b来解释。
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)
首先将变量a与0进行相比，如果变量a等于0，就跳到554这个位置，也就是执行指令mov $0x0,%eax，就是把0送到寄存器eax里面，再送到变量d当中。如果变量a不等于0，就用变量b与0相比，如果b等于0，也是跳转到554这个位置去将最终的结果设置为0，如果变量b也不等于0，就把1送到寄存器eax当中，将最终的结果设置为1。
机器指令逻辑或(||)实现的操作解释，以d = a||b来解释
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)
首先将变量a与0进行相比，如果变量a不等于0，就跳转到558这个位置，也就是执行指令mov $0x1,%eax，把1送到寄存器eax里面，无条件转到574这个位置，并将eax的值送到变量d当中。如果变量a等于0,就将变量b与0比较，如果b等于0，就跳转到56f这个位置，去将最终的结果设置为0。
逻辑移位操作
C语言的移位操作包括逻辑左移，算术左移，逻辑右移，算术右移等四种。
| 操作 | C语言操作符 | 汇编指令 |
|---|---|---|
| 逻辑左移 | << | shlb、shlw、shll |
| 算术左移 | << | salb、salw、sall |
| 逻辑右移 | >> | shrb、shrw、shrl |
| 算术右移 | >> | sarb、sarw、sarl |
注意：IA-32中的其他移位指令没有对应的C语言操作，如想实现循环移位指令，需要编写多条语句来实现。
逻辑移位和算术移位的C语言操作符相同，编译器会根据操作数的不同来选择不同的指令。无符号数采用逻辑移位指令，有符号数采用算术移位指令。逻辑和算术的区别在于友移时最高位补0还是补符号位。算术右移补入符号位，逻辑右移补入0。
我们仍然以一个简单的C语言指令来为大家介绍逻辑移位操作的汇编指令。
#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命令将其进行编译，objdump命令进行反汇编之后，main函数所对应的汇编指令如下所示
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;
从sarl $0x4,-0x8(%ebp)这条指令可以清楚的看到当执行a右移4位的操作时，因为a是有符号数，所以执行的就是算术右移，对应的汇编指令sarl。而执行b右移时，因为b是无符号数，所以执行的是逻辑右移指令，对应汇编指令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)
由这8条指令可以看出，在执行a=c的时候，执行的是符号扩展指令，z=d时执行的是零扩展指令，b=c时执行的是符号扩展指令，b=d时执行的是零扩展指令。因此我们可以看出，执行符号扩展还是零扩展是由等号右边的变量类型决定的，与等号左边的变量类型无关。
位运算的作用
- 可实现特定的功能：取特定位、保留特定位
- 周期短速度快：左移、右移可用于实现快速的整数乘、除法
- 可实现其他功能：原位交换
PS：交换变量a和变量b的值
普通方法
c = a; a = b; b = c;
位操作交换法
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
以上内容就是本次我给大家分享的计算机系统基础学习的笔记-数据的位运算操作，小编也是初次入门，有什么地方写的不对的，还请多多指教。觉得还不错的点个赞支持一下小编，你的肯定就是小编前进的动力。另外如果想了解更多计算机专业的知识和技巧的，献上我的个人博客北徯，另外需要各种资料的童鞋，可以关注我的微信公众号北徯，免费的PPT模板，各种资料等你来领。
