Go 的位操作
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在计算机内存昂贵,处理能力有限的美好旧时光里,用比较骇客的位运算方式去处理信息是首选方式(某些情况下只能如此)。时至今日,直接使用位运算仍然是很多计算领域中不可或缺的部分,例如底层系统编程,图形处理,密码学等。

Go 编程语言支持以下按位运算符:

&   bitwise AND
 |   bitwise OR
 ^   bitwise XOR
&^   AND NOT
<<   left shift
>>   right shift

本文的余下部分详述了每个操作符以及它们如何使用的案例。

& 运算符

在 Go 中, & 运算符在两个整型操作数中执行按位 AND 操作。AND 操作具有以下属性:

Given operands a, b
AND(a, b) = 1; only if a = b = 1
               else = 0

AND 运算符具有选择性的把整型数据的位清除为 0 的好的效果。 例如,我们可以使用 & 运算符去清除(设置)最后 4 个最低有效位(LSB)全部为 0 。

func main() {
    var x uint8 = 0xAC    // x = 10101100
    x = x & 0xF0          // x = 10100000
}

所有的位运算都支持简写的赋值形式。 例如,前面的例子可以重写为如下。

func main() {
    var x uint8 = 0xAC    // x = 10101100
    x &= 0xF0             // x = 10100000
}

另外一个巧妙的技巧是:你可以用 & 操作去测试一个数字是奇数还是偶数。原因是当一个数字的二进制的最低位是 1 的时候,那他就是奇数。我们可以用一个数字和 1 进行 & 操作,然后在和 1 做 AND 运算,如果的到的结果是 1 ,那么这个原始的数字就是奇数

import (
    "fmt"
    "math/rand"
)
func main() {
    for x := 0; x < 100; x++ {
        num := rand.Int()
        if num&1 == 1 {
            fmt.Printf("%d is odd\n", num)
        } else {
            fmt.Printf("%d is even\n", num)
        }
    }
}

Playground 上运行上面的例子

| 操作符

| 对其整型操作数执行按位操作。回想一下操作符具备以下性质:

Given operands a, b
OR(a, b) = 1; when a = 1 or b = 1
              else = 0 

我们可以利用按位操作符为给定的整数有选择地设置单个位。例如,在如下示例中我们使用按位将示例数(从低位到高位(MSB))中的第 3 ,第 7 和第 8 位置为 1 。

func main() {
    var a uint8 = 0
    a |= 196
    fmt.Printf("%b", a)
}

// 打印结果  11000100
            ^^   ^    

练习场中可运行范例。

在使用位掩码技术为给定的整型数字设置任意位时,运算非常有用。例如,我们可以扩展之前的程序为变量 a 存储的值设置更多的位。

func main() {
    var a uint8 = 0
    a |= 196
    a |= 3
    fmt.Printf("%b", a)
}

// 打印结果 11000111

练习场中可以运行范例。

在前面的程序里,不仅要按位设置十进制的 196,而且要设置低位上的十进制 3。我们还可以继续(上更多的值)设置完所有的位。

位运算的配置用法

现在,回顾一下 AND(a, 1) = a 当且仅当 a = 1。 我们可以利用这个特性去查询其设置位的值。例如,在上述代码中 a & 196 会返回 196 是因为这几位的值在 a 中确实都存在。所以我们可以结合使用 ORAND 运算的方式来分别设置和读取某位的配置值。.

接下来的源码片段演示了这个操作。函数 procstr 会转换字符串的内容。它需要两个参数:第一个, str,是将要被转换的字符串,第二个, conf,是一个使用位掩码的方式指定多重转换配置的整数。

const (
    UPPER  = 1 // 大写字符串
    LOWER  = 2 // 小写字符串
    CAP    = 4 // 字符串单词首字母大写
    REV    = 8 // 反转字符串
)

func main() {
    fmt.Println(procstr("HELLO PEOPLE!", LOWER|REV|CAP))
}

func procstr(str string, conf byte) string {
    // 反转字符串
    rev := func(s string) string {
        runes := []rune(s)
        n := len(runes)
        for i := 0; i < n/2; i++ {
            runes[i], runes[n-1-i] = runes[n-1-i], runes[i]
        }
        return string(runes)
    }

    // 查询配置中的位操作
    if (conf & UPPER) != 0 {
        str = strings.ToUpper(str)
    }
    if (conf & LOWER) != 0 {
        str = strings.ToLower(str)
    }
    if (conf & CAP) != 0 {
        str = strings.Title(str)
    }
    if (conf & REV) != 0 {
        str = rev(str)
    }
    return str
}

Playground上面运行代码.

上面的 procstr("HELLO PEOPLE!", LOWER|REV|CAP) 方法会把字符串变成小写,然后反转字符串,最后把字符串里面的单词首字母变成大写。这个功能是通过设置 conf 里的第二,三,四位的值为 14 来完成的。然后代码使用连续的 if 语句块来获取这些位操作进行对应的字符串转换。

^ 操作符

在 Go 中 按位 异或 操作是用 ^ 来表示的。 异或运算符有如下的特点:

Given operands a, b
XOR(a, b) = 1; only if a != b
     else = 0

异或运算的这个特性可以用来把二进制位的一个值变成另外一个值。举个例子,给到一个 16 进制的值,我们可以使用以下代码切换前8位(从 MSB 开始)的值。

func main() {
    var a uint16 = 0xCEFF
    a ^= 0xFF00 // same a = a ^ 0xFF00
}

// a = 0xCEFF   (11001110 11111111)
// a ^=0xFF00   (00110001 11111111)

在前面的代码片段中,与 1 进行异或的位被翻转(从 0 到 1 或从 1 到 0)。异或 运算的一个实际用途,例如,可以利用 异或运算去比较两个数字的符号是否一样。当 (a ^ b) ≥ 0 (或相反符号的 (a ^ b) < 0 )为 true 的时候,两个整数 a,b 具有相同的符号,如下面的程序所示:

func main() {
    a, b := -12, 25
    fmt.Println("a and b have same sign?", (a ^ b) >= 0)
}

在 Go 的 Playground运行代码。

当执行上面这个程序的时候,将会打印出:a and b have same sign? false。在 Go Playground 上修改程序里 a ,b 的符号,以便看到不同的结果。

^ 作为取反位运算符 (非)

不像其他语言 (c/c++,Java,Python,Javascript,等), Go 没有专门的一元取反位运算符。取而代之的是,XOR 运算符 ^,也可作为一元取反运算符作用于一个数字。对于给定位 x,在 Go 中 x = 1 ^ x 可以翻转该位。在以下的代码段中我们可以看到使用 ^a 获取变量 a 的取反值的操作。

func main() {
    var a byte = 0x0F
    fmt.Printf("%08b\n", a)
    fmt.Printf("%08b\n", ^a)
}

// 打印结果
00001111     // var a
11110000     // ^a

练习场中可以运行范例。

&^ 操作符

&^ 操作符意为 与非,是 操作符的简写形式,它们定义如下。

Given operands a, b
AND_NOT(a, b) = AND(a, NOT(b))

如果第二个操作数为 1 那么它则具有清除第一个操作数中的位的趣味特性。

AND_NOT(a, 1) = 0; clears a
AND_NOT(a, 0) = a; 

接下来的代码片段使用 AND NOT 操作符,将变量值1010 1011变为 1010 0000,清除了操作数上的低四位。

func main() {
    var a byte = 0xAB
     fmt.Printf("%08b\n", a)
     a &^= 0x0F
     fmt.Printf("%08b\n", a)
}

// 打印:
10101011
10100000

练习场中运行范例。

<< 和 >> 操作符

与其他 C 的衍生语言类似, Go 使用 <<>> 来表示左移运算符和右移运算符,如下所示:

Given integer operands a and n,
a << n; shifts all bits in a to the left n times
a >> n; shifts all bits in a to the right n times

例如,在下面的代码片段中变量 a00000011)的值将会左移位运算符分别移动三次。每次输出结果都是为了说明左移的目的。

func main() {
    var a int8 = 3
    fmt.Printf("%08b\n", a)
    fmt.Printf("%08b\n", a<<1)
    fmt.Printf("%08b\n", a<<2)
    fmt.Printf("%08b\n", a<<3)
}

// 输出的结果:
00000011
00000110
00001100
00011000

Playground 运行代码

注意每次移动都会将低位右侧补零。相对应,使用右移位操作符进行运算时,每个位均向右方移动,空出的高位补零,如下示例 (有符号数除外,参考下面的算术移位注释)。

func main() {
 var a uint8 = 120
 fmt.Printf("%08b\n", a)
 fmt.Printf("%08b\n", a>>1)
 fmt.Printf("%08b\n", a>>2)
}

// 打印:
01111000
00111100
00011110

练习场中可以运行范例。

可以利用左移和右移运算中,每次移动都表示一个数的 2 次幂这个特性,来作为某些乘法和除法运算的小技巧。例如,如下代码中,我们可以使用右移运算将 200(存储在变量 a 中)除以 2 。

func main() {
    a := 200
    fmt.Printf("%d\n", a>>1)
}

// 打印:
100

练习场 中可以运行范例。

或是通过左移 2 位,将一个数乘以4:

func main() {
    a := 12
    fmt.Printf("%d\n", a<<2)
}
// 打印:

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练习场 中可以运行范例。

位移运算符提供了有趣的方式处理二进制值中特定位置的值。例如,下列的代码中,|<< 用于设置变量 a 的第三个 bit 位。

func main() {
    var a int8 = 8
    fmt.Printf("%08b\n", a)
    a = a | (1<<2)
    fmt.Printf("%08b\n", a)
}
// prints:
00001000
00001100

可以在 练习场 中运行代码示例。

或者,您可以组合位移运算符和 & 测试是否设置了第n位,如下面示例所示:

func main() {
    var a int8 = 12
    if a&(1<<2) != 0 {
        fmt.Println("take action")
    }
}

// 打印:
take action

练习场中运行代码。

使用 &^ 和位移运算符,我们可以取消设置一个值的某个位。例如,下面的示例将变量 a 的第三位置为 0 :

func main() {
    var a int8 = 13 
    fmt.Printf("%04b\n", a)
    a = a &^ (1 << 2)
    fmt.Printf("%04b\n", a)
}

// 打印:
1101
1001

练习场 中运行代码。

关于算术位移运算的笔记

当要位移的值(左操作数)是有符号值时,Go 自动应用算术位移。在右移操作期间,复制(或扩展)二进制补码符号位以填充位移的空隙。

总结

与其它现代运算符一样,Go 支持所有二进制位操作运算符。这篇文章仅仅提供了可以用这些操作符完成的各种黑科技示例。你可以在网络上找到很多文章,特别是 Sean Eron Anderson 写的 Bit Twiddling Hacks

关注 Vladim @vladimirvivien 的 Twitter。

如果你正在学习 Go,阅读 Vladimir Vivien 关于 Go 的书,名为 Learning Go Programming

这篇文章开始由作者 Vladimir Vivien 发布在 Medium 上,名为 Bit Hacking with Go

乌合之众...

原文地址:https://dev.to/vladimirvivien/bit-hackin...

译文地址:https://golangcaff.com/topics/139/bit-op...

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