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计算机系统基础学习笔记(2)-数据的位运算操作

2020-04-21 16:01:01来源：博客园 阅读 ()

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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

  1. 可实现特定的功能：取特定位、保留特定位
  2. 周期短速度快：左移、右移可用于实现快速的整数乘、除法
  3. 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。
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