C LANGUAGE TECHNOLOGY

【C言語】ビット演算子とシフト演算子の使い方

悩んでいる人

C言語でビット演算子とシフト演算子の使い方を教えて!

こういった悩みにお答えします.

本記事の信頼性

  • リアルタイムシステムの研究歴12年.
  • 東大教員の時に,英語でOSの授業.
  • 2012年9月~2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校コンピュータサイエンス学部2021年の世界大学学術ランキングで20位)で客員研究員として勤務.C言語でリアルタイムLinuxの研究開発
  • プログラミング歴15年以上,習得している言語: C/C++Solidity,Java,Python,Ruby,HTML/CSS/JS/PHP,MATLAB,Assembler (x64,ARM).
  • 東大教員の時に,C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」,C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」GitHubにオープンソースとして公開

こういった私から学べます.

ビット演算子

ビット演算子とは,各々のビットに対する論理演算を一度に行う演算子のことです.

C言語は本来はOSのようなシステム記述用の言語として開発されたので,ビット演算等の低レベルのプログラミングが可能です.

なので,C言語は高級アセンブリ言語とみなすことができます.

C言語で用意されているビット演算子は下表になります.

記号意味
&ビット毎のAND(論理積)a = b & 0x7fff
|ビット毎のOR(論理和)a = b | 0x8000
^ビット毎のXOR(排他的論理和)a = b ^ 0x000f
~ビット毎のNOR(ビット反転)a = ~b
<<左シフトa = b << 2
>>右シフトa = b >> 2

これらのビット操作は,charやint等の整数型にしか利用できません.

floatやdouble等の浮動小数点型には利用できないことに注意して下さい.

&:ビット毎のAND(論理積)

&はビット毎のAND(論理積)をとり,下表のようになります.

つまり,両方のビットが1の時のみ1となります.

aba & b
000
010
100
111

例えば,「0xaaaa & 0x00ff」というビット毎のANDは「0x00aa」になります(下表).

2進数16進数
1010 1010 1010 10100xaaaa
ANDAND
0000 0000 1111 11110x00ff
0000 0000 1010 10100x00aa

このように,AND(&)演算子はビットマスクをして特定のビットの内容を取り出す時によく使われます.

上の例では上位8ビットはマスクして下位8ビットのみを取り出しています.

例えば,ハードウェアのステータスの特定のビットを取り出すためにAND演算子が用いられます.

|:ビット毎のOR(論理和)

|はビット毎のOR(論理和)をとり,下表のようになります.

つまり,どちらかのビットが1の時に1になります.

aba | b
000
011
101
111

例えば,「0xaaaa | 0x00ff」というビット毎のORは「0xaaff」になります(下表).

2進数16進数
1010 1010 1010 10100xaaaa
OROR
0000 0000 1111 11110x00ff
1010 1010 1111 11110xaaff

このようにOR(|)演算子は他のビットに影響を与えることなく特定のビットを1にする時によく利用されます.

上記の例では,上位8ビットはそのままで,下位8ビットを全て1にしています.

ORは,特定ビットのフラグを立てたい時等に利用されます.

^:ビット毎のXOR(排他的論理和)

^はビット毎のXOR(排他的論理和)をとり,下表のようになります.

つまり,両方のビットが互いに異なる時に1になります.

aba ^ b
000
011
101
110

例えば,「0xaaaa ^ 0x00ff」というビット毎のXORは「0xaa55」になります(下表).

2進数16進数
1010 1010 1010 10100xaaaa
XORXOR
0000 0000 1111 11110x00ff
1010 1010 0101 01010xaa55

このようにXOR(^)演算子はビットマスクをして特定のビットの内容を反転させる時によく使われます.

上の例では,上位8ビットはそのままで下位8ビットを反転しています.

XORは,ハードウェアの現在のステータスと違う値を出力する時等に利用されます.

~:ビット毎のNOT(ビット反転)

~(チルダ)はビット毎のNOT(ビット反転)を行い,下表のようになります.

a~a
01
10

例えば,「~0xaaaa」というビット毎のNORは「0x5555」になります(下表).

2進数16進数
NOTNOT
1010 1010 1010 10100xaaaa
0101 0101 0101 01010x5555

XOR演算子が特定のビットの反転に利用するのに対して,ビット毎のNOT(~)は全ビットの内容を各々反転させることができます.

ビット毎のAND,OR,XOR,NOTのコード

これまでのビット操作の例を以下のコードに示します.

ここで,unsigned int型は32ビット(4バイト)になることに注意して下さい.

実行結果は以下になります.

AND,OR,XORは紹介した例と同じ結果です(3~5行目).

これに対して,NOTは「0x5555」ではなく「0xffff5555」と異なる結果になりました(6行目).

この理由は,unsigned int型は32ビットで上位16ビットが「0x0000」だったのが,ビット反転により「0xffff」になったからです.

<<,>>:左シフト・右シフト演算子

シフト演算子は,int型やchar型等の整数のビットの並びを必要なだけ左(<<),または右(>>)にシフトする演算子です.

左シフト

4byteの整数「0xa5a55a5a」を4ビット左にシフトする場合を考えてみましょう.

4ビット左にシフトするということは,値を16倍するということです(結果は「0x5a55a5a0」).

シフトの様子は以下になります.

左シフトは,正のオーバーフローをしない限り,2のべき乗倍することができます.

右シフト(論理シフトと算術シフト)

右シフトはunsigned(符号なし)かsigned(符号あり)かどうかで結果が異なる場合があります.

ここで,符号なしのシフトを論理シフト,符号ありのシフトを算術シフトと呼びます.

unsignedの整数「0xa5a55a5a」を4ビット右に論理シフトする場合を考えてみましょう.

論理シフトの様子は以下になります.

4ビット右に論理シフトするということは,値を1/16するということです.

このように,unsignedで右に論理シフトする場合は,論理シフト量分の上位ビットは0になり,結果は「0x0a5a55a5」になります.

同様にsignedの整数0xa0afa5a5を4ビット右に算術シフトする場合を考えてみましょう.

算術シフトの様子を以下に示します.

負のオーバーフローが発生しない限り,元の値の1/(2のべき乗分の1)することができます.

signedで右に算術シフトする場合,算術シフト量分の上位ビットは符号ビットであるMost Significant Bit(MSB)で埋められます.

signedの整数は2の補数で表現されるため,MSBが1の場合は負の数になります.

つまり,算術シフト量分の上位ビットは,正の整数の場合は0で埋められ,負の整数の場合は1で埋められます.

この操作を符号拡張と呼びます.

左シフトと右シフト(論理シフトと算術シフト)のコード

左シフトと右シフト(論理シフトと算術シフト)のコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

同じ結果です.

まとめ

C言語でビット演算子とシフト演算子の使い方を紹介しました.

ビット演算子はAND,OR,XOR,NOT,シフト演算子は左シフトと右シフト(論理シフトと算術シフト)があることがわかりました.

ビット演算子やシフト演算子は,OSがハードウェアの状態を制御する時によく利用されるので,正しく理解しましょう.

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