【C语法硬核20讲】15 位运算大全：掩码与移位

目标：系统掌握 & | ^ ~ << >> 的语义与陷阱、无符号优先、掩码构造、字段打包/解包、按 2 的幂对齐、位计数/低位索引等实战技巧。

1）无符号优先（避免实现定义行为）

• 右移 >>：对有符号负数是实现定义（算术/逻辑右移不必定）；
• 提议：用无符号类型做移位与掩码：uint32_t/uint64_t。

2）基本操作速查

u &= mask;     // 保留
u |= mask;     // 置位
u ^= mask;     // 反转
u &= ~mask;    // 清零

构造单比特：(UINT32_C(1) << n)；风险：n >= 位宽 → 未定义行为。

3）字段打包/解包（协议友善）

// 布局: [31:29]=ver(3) [28:24]=type(5) [23:0]=len(24)
static inline uint32_t pack_hdr(uint32_t ver,uint32_t type,uint32_t len){
    return ((ver & 0x7u)  << 29) |
           ((type & 0x1Fu)<< 24) |
           (len & 0xFFFFFFu);
}
static inline void unpack_hdr(uint32_t x, uint32_t *ver,uint32_t *type,uint32_t *len){
    *ver  = (x>>29) & 0x7u;
    *type = (x>>24) & 0x1Fu;
    *len  = x & 0xFFFFFFu;
}

与大小端无关：我们在寄存器值上操作；跨网络请配合 htonl/ntohl。

4）对齐到 2 的幂（常用）

// 向上取整到 2^k
static inline uint32_t align_up_pow2(uint32_t x, uint32_t a){ // a 为 2 的幂
    return (x + (a-1)) & ~(a-1);
}
static inline uint32_t align_down_pow2(uint32_t x, uint32_t a){
    return x & ~(a-1);
}

5）位计数/最低位索引

• 可移植做法：

static inline unsigned popcount_u32(uint32_t x){
    unsigned c=0; while(x){ x &= x-1; ++c; } return c;
}
static inline unsigned ctz_u32(uint32_t x){ // count trailing zeros
    unsigned n=0; if(!x) return 32;
    while((x & 1u)==0){ x >>= 1; ++n; } return n;
}

• 如可用编译器内建：__builtin_popcount/__builtin_ctz（GCC/Clang），MSVC：_BitScanForward。

6）位标志枚举 + 掩码工具（与第 13 讲配套）

enum Feature { F_A=1u<<0, F_B=1u<<1, F_C=1u<<2 };
typedef unsigned FeatureMask;
#define F_SET(m,f)   ((m)|=(f))
#define F_CLR(m,f)   ((m)&=~(f))
#define F_HAS(m,f)   (((m)&(f))!=0)

7）常见坑

1. 左移超位宽：1u << 32（在 32 位无定义）。
2. 用有符号整型做右移。
3. 忘记把常量声明为无符号：1 << n 参与提升后可能溢出。
4. 用位域表达跨平台协议（布局/端序不可控）。

8）练习

• 写 mask_range(lo, hi)：生成 [lo, hi] 连续 1 的掩码；
• 写 is_pow2(x) 与 next_pow2(x)；
• 实现 64 位的 popcount/ctz（优先用内建）。