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|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。

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#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。

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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。

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objdump -S test>test.txt

main函数所对应的汇编指令如下所示。

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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。

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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) charb8
(unsigned) shortw16
(unsigned) intl32
(unsigned) long intl32
(unsigned) long long int-2 $\times$ 32
char *l32
floats32
doublel64
long doublet80/96

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。

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#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。

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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:

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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。

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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

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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568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。

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#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

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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;

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。

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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

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c = a; a = b; b = c;

位操作交换法

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a = a^b; b = b^a; a = a^b;

位操作法原理:

1
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b = b^(a^b) = b^a^b = b^b^a = a
a = (a^b)^(b^(a^b)) = a^b^b^a^b = b

我可以耐心等,幸福可以来得慢一些,只要它是真的!
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。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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本文标题:计算机系统基础学习笔记(2)-数据的位运算操作

文章作者:北徯。

发布时间:2020年04月21日 - 00:00:00

最后更新:2020年04月26日 - 23:16:17

原始链接:https://www.xiangjunhong.com/posts/206ff928.html

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