（编写中）⭐位操作

二进制数、位、字节

在C语言中，位操作是底层编程的核心技能，特别在Python-C互操作中用于：

• 处理硬件寄存器
• 优化数据存储
• 实现位标志和掩码

二进制表示

int binary = 0b1010; // C99支持的二进制字面量
printf("%d", binary); // 输出: 10

其他进制数

int decimal = 10;    // 十进制
int octal = 012;     // 八进制 (0开头)
int hex = 0xA;       // 十六进制 (0x开头)
int binary = 0b1010; // 二进制 (0b开头, C99+)

C按位运算符

基本位运算符

unsigned char a = 0b10101010; // 170
unsigned char b = 0b11001100; // 204

// 按位与 &
unsigned char and_result = a & b; // 0b10001000 (136)

// 按位或 |
unsigned char or_result = a | b;  // 0b11101110 (238)

// 按位异或 ^
unsigned char xor_result = a ^ b; // 0b01100110 (102)

// 按位取反 ~
unsigned char not_result = ~a;    // 0b01010101 (85)

移位运算符

unsigned char num = 0b10101010; // 170

// 左移 <<
unsigned char left_shift = num << 2; // 0b1010101000 (680)

// 右移 >>
unsigned char right_shift = num >> 2; // 0b00101010 (42)

位字段

位字段在Python-C互操作中非常有用，可以紧凑地存储多个布尔标志：

// 定义位字段结构
struct StatusFlags {
    unsigned int is_ready : 1;     // 1位
    unsigned int has_error : 1;    // 1位
    unsigned int error_code : 4;   // 4位
    unsigned int reserved : 2;     // 2位
};

// 使用示例
struct StatusFlags status;
status.is_ready = 1;
status.has_error = 0;
status.error_code = 5; // 最大15 (4位)

对齐特性

内存对齐

#include <stdalign.h>

// 指定对齐要求
alignas(16) double data[4]; // 16字节对齐

// 查询对齐要求
printf("Alignment: %zu\n", alignof(double));

结构体对齐控制

// 紧凑包装（可能降低性能）
#pragma pack(push, 1)
struct PackedData {
    char a;
    int b;
    short c;
};
#pragma pack(pop)

// 或者使用GCC属性
struct __attribute__((packed)) PackedData {
    char a;
    int b;
    short c;
};

Python-C互操作中的应用

位掩码与Python交互

// C函数：处理位标志
export int process_flags(int flags) {
    if (flags & 0x01) {
        // 处理第一个标志
    }
    if (flags & 0x02) {
        // 处理第二个标志
    }
    return flags | 0x80; // 设置完成标志
}

# Python调用
from ctypes import CDLL, c_int

lib = CDLL('./mylib.so')
lib.process_flags.argtypes = [c_int]
lib.process_flags.restype = c_int

result = lib.process_flags(0x03)  # 同时设置两个标志
print(f"Result: 0x{result:02x}")  # 输出: Result: 0x83

性能优化示例

使用位操作替代布尔数组：

// 使用单个整数存储32个布尔值
unsigned int flags = 0;

// 设置第5位
flags |= (1 << 4);

// 检查第5位
if (flags & (1 << 4)) {
    // 第5位被设置
}

// 清除第5位
flags &= ~(1 << 4);

常见位操作技巧

判断奇偶性

int is_even(int x) {
    return (x & 1) == 0;
}

交换两个变量

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

计算二进制中1的个数

int count_ones(unsigned int x) {
    int count = 0;
    while (x) {
        count += x & 1;
        x >>= 1;
    }
    return count;
}

// 更高效的方法（Brian Kernighan算法）
int count_ones_fast(unsigned int x) {
    int count = 0;
    while (x) {
        x &= x - 1;
        count++;
    }
    return count;
}

注意事项

1. 符号位问题：右移位操作对有符号数和无符号数行为不同
2. 移位范围：避免移位超过数据类型位数
3. 可移植性：位字段的具体实现可能因编译器而异
4. 性能考量：现代CPU通常能高效处理位操作，但要注意缓存友好性

位操作是C语言底层编程的核心技能，在Python-C互操作中尤其重要，可以显著提高性能并减少内存使用。