Linux C语言中的位操作技巧

位操作是C语言中高效处理数据的重要技术，在Linux系统编程、驱动开发和嵌入式领域尤为常用。下面介绍一些实用的位操作技巧。

基本位操作

1. 设置位

   #define SET_BIT(var, pos) ((var) |= (1 << (pos)))
   

2. 清除位

   #define CLEAR_BIT(var, pos) ((var) &= ~(1 << (pos)))
   

3. 切换位状态

   #define TOGGLE_BIT(var, pos) ((var) ^= (1 << (pos)))
   

4. 检查位是否设置

   #define CHECK_BIT(var, pos) ((var) & (1 << (pos)))
   

实用技巧

1. 快速乘除2的幂

unsigned int x = 10;
x = x << 1;  // 相当于 x * 2
x = x >> 1;  // 相当于 x / 2

2. 交换两个变量(不使用临时变量)

void swap(int *a, int *b) {
    *a ^= *b;
    *b ^= *a;
    *a ^= *b;
}

3. 判断奇偶

if (x & 1) {
    // 奇数
} else {
    // 偶数
}

4. 计算整数绝对值

int abs(int x) {
    const int mask = x >> (sizeof(int) * CHAR_BIT - 1);
    return (x + mask) ^ mask;
}

5. 检查是否为2的幂

int is_power_of_two(unsigned int x) {
    return x && !(x & (x - 1));
}

Linux内核中的位操作

Linux内核中广泛使用位操作，特别是在设备驱动和内存管理中：

1. 位图操作

   #include <linux/bitmap.h>
   
   unsigned long bitmap[10];
   set_bit(5, bitmap);    // 设置第5位
   clear_bit(5, bitmap);  // 清除第5位
   test_bit(5, bitmap);   // 测试第5位
   

2. 原子位操作

   #include <linux/bitops.h>
   
   unsigned long flags;
   set_bit(0, &flags);     // 非原子操作
   test_and_set_bit(0, &flags);  // 原子操作
   

3. 位域定义

   struct {
      unsigned int flag1:1;
      unsigned int flag2:1;
      unsigned int count:6;
   } status;
   

性能优化技巧

1. 使用位运算代替模运算

   // 代替 x % 8
   x & 0x7;
   

2. 快速计算log2

   int log2(unsigned int x) {
      int r = 0;
      while (x >>= 1) r++;
      return r;
   }
   

3. 位反转

   unsigned int reverse_bits(unsigned int x) {
      x = ((x >> 1) & 0x55555555) | ((x & 0x55555555) << 1);
      x = ((x >> 2) & 0x33333333) | ((x & 0x33333333) << 2);
      x = ((x >> 4) & 0x0F0F0F0F) | ((x & 0x0F0F0F0F) << 4);
      x = ((x >> 8) & 0x00FF00FF) | ((x & 0x00FF00FF) << 8);
      x = ((x >> 16) | (x << 16));
      return x;
   }
   

注意事项

1. 位操作符优先级较低，注意使用括号
2. 移位操作要注意符号位和溢出问题
3. 可移植性考虑：不同平台可能有不同的字节序
4. 避免未定义行为：如负数的右移操作

掌握这些位操作技巧可以显著提高Linux C程序的效率和性能，特别是在系统级编程和资源受限的环境中。