计算机AL教程笔记,计算机系统基础学习笔记(2)-数据的位运算操作
C語言的位運算操作包括兩類，邏輯運算操作和邏輯移位操作。
邏輯運算操作
C語言提供了四種按位邏輯操作符，分別是按位取反，按位與，按位或，按位異或。在編譯時，編譯器會根據操作數的寬度分別轉換為不同的指令。
操作
C語言操作符
匯編指令
按位取反
~
notb、notw、notl
按位與
&
andb、andw、andl
按位或
l
orb、orw、orl
按位異或
^
xorb、xorw、xorl
注意: C語言的邏輯與(&&)、邏輯或(||)、邏輯非(!)并沒有對應的機器指令，而是由多條指令聯合來實現這些功能，完成以變量為單位的邏輯操作。
下面我們以一個簡單的C語言程序test.c來了解邏輯運算操作過程。
#include
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命令將其進行編譯成可執行文件。
gcc -o0 -m32 -g test.c -o test
利用objdump命令進行反匯編并將其重定向到test.txt文件方便查看。
objdump -S test>test.txt
main函數所對應的匯編指令如下所示。
000004ed :
#include
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
由以上代碼可以看出a,b,c取反的三個操作分別對應以下指令。
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)
其中變量a和變量b的取反指令都是notl,處理的是4字節的變量。而變量c的取反指令執行的是notw,執行的是2字節的變量。這也就說明了編譯器會根據操作數的寬度分別轉換為不同的指令。
下表給出C語言基本數據和類型和IA-32操作數類型的對應關系
C語言聲明
匯編指令長度后綴
存儲長度
(unsigned) char
b
8
(unsigned) short
w
16
(unsigned) int
l
32
(unsigned) long int
l
32
(unsigned) long long int
-
2 $imes$ 32
char *
l
32
float
s
32
double
l
64
long double
t
80/96
仍然以下面這樣一個簡單的C語言程序來理解邏輯與(&&)、邏輯或(||)、邏輯非(!)和按位邏輯操作符的區別。
#include
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命令將其進行編譯，objdump命令進行反匯編之后，main函數所對應的匯編指令如下所示。
000004ed :
#include
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
547:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)
54b:74 07 je 554
54d:b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
552:eb 05 jmp 559
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
562:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)
566:74 07 je 56f
568:b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
56d:eb 05 jmp 574
56f:b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
574:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)
return;
機器指令邏輯非(!)實現的操作解釋,以a = !a這個作為例子：
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)
首先將變量a與常數0進行比較，如果相等就置寄存器al為1，不等則置為0，然后再把寄存器al的值擴展0擴展送到eax寄存器中，再從寄存器eax中送回到變量a的地址當中。
機器指令邏輯與(&&)實現的操作解釋，以d = a&&b來解釋。
d = a&&b;
541:83 7d f4 00 cmpl $0x0,-0xc(%ebp)
545:74 0d je 554
547:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)
54b:74 07 je 554
54d:b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
552:eb 05 jmp 559
554:b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
559:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)
首先將變量a與0進行相比，如果變量a等于0，就跳到554這個位置，也就是執行指令mov $0x0,%eax，就是把0送到寄存器eax里面，再送到變量d當中。如果變量a不等于0，就用變量b與0相比，如果b等于0，也是跳轉到554這個位置去將最終的結果設置為0，如果變量b也不等于0，就把1送到寄存器eax當中，將最終的結果設置為1。
機器指令邏輯或(||)實現的操作解釋，以d = a||b來解釋
d = a||b;
55c:83 7d f4 00 cmpl $0x0,-0xc(%ebp)
560:75 06 jne 568
562:83 7d f8 00 cmpl $0x0,-0x8(%ebp)
566:74 07 je 56f
568:b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
56d:eb 05 jmp 574
56f:b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
574:89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)
首先將變量a與0進行相比，如果變量a不等于0，就跳轉到558這個位置，也就是執行指令mov $0x1,%eax，把1送到寄存器eax里面，無條件轉到574這個位置，并將eax的值送到變量d當中。如果變量a等于0,就將變量b與0比較，如果b等于0，就跳轉到56f這個位置，去將最終的結果設置為0。
邏輯移位操作
C語言的移位操作包括邏輯左移，算術左移，邏輯右移，算術右移等四種。
操作
C語言操作符
匯編指令
邏輯左移
<<
shlb、shlw、shll
算術左移
<<
salb、salw、sall
邏輯右移
>>
shrb、shrw、shrl
算術右移
>>
sarb、sarw、sarl
注意：IA-32中的其他移位指令沒有對應的C語言操作，如想實現循環移位指令，需要編寫多條語句來實現。
邏輯移位和算術移位的C語言操作符相同，編譯器會根據操作數的不同來選擇不同的指令。無符號數采用邏輯移位指令，有符號數采用算術移位指令。邏輯和算術的區別在于友移時最高位補0還是補符號位。算術右移補入符號位，邏輯右移補入0。
我們仍然以一個簡單的C語言指令來為大家介紹邏輯移位操作的匯編指令。
#include
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命令將其進行編譯，objdump命令進行反匯編之后，main函數所對應的匯編指令如下所示
000004ed :
#include
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;
從sarl $0x4,-0x8(%ebp)這條指令可以清楚的看到當執行a右移4位的操作時，因為a是有符號數，所以執行的就是算術右移，對應的匯編指令sarl。而執行b右移時，因為b是無符號數，所以執行的是邏輯右移指令，對應匯編指令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)
由這8條指令可以看出，在執行a=c的時候，執行的是符號擴展指令，z=d時執行的是零擴展指令，b=c時執行的是符號擴展指令，b=d時執行的是零擴展指令。因此我們可以看出，執行符號擴展還是零擴展是由等號右邊的變量類型決定的，與等號左邊的變量類型無關。
位運算的作用
可實現特定的功能：取特定位、保留特定位
周期短速度快：左移、右移可用于實現快速的整數乘、除法
可實現其他功能：原位交換
PS：交換變量a和變量b的值
普通方法
c = a; a = b; b = c;
位操作交換法
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
以上內容就是本次我給大家分享的計算機系統基礎學習的筆記-數據的位運算操作，小編也是初次入門，有什么地方寫的不對的，還請多多指教。覺得還不錯的點個贊支持一下小編，你的肯定就是小編前進的動力。另外如果想了解更多計算機專業的知識和技巧的，獻上我的個人博客北徯，另外需要各種資料的童鞋，可以關注我的微信公眾號北徯，免費的PPT模板，各種資料等你來領。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机AL教程笔记,计算机系统基础学习笔记(2)-数据的位运算操作的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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