[史上最全]C#（VB.NET）中位运算符工作过程剖析（译）
目录
介绍
在这篇博客中，我将来讨论与位操作符有关的内容。这篇文章中谈到的位操作符有：
- OR（C#中使用“|”，VB.NET中使用Or）
- AND（C#中使用“&”，VB.NET中使用And）
- XOR（C#中使用“^”，VB.NET中使用Xor）
- NOT（C#中使用“~”，VB.NET中使用Not）
- 左移运算符（C#和VB.NET中都使用<<）
- 右移运算符（C#和VB.NET中都使用>>）
- 循环按位移动
- 循环左移（C#和VB.NET中没有对应的运算符）
- 循环右移（C#和VB.NET中没有对应的运算符）
位操作符一般用在数值类型上，它作用在数字二进制格式的每一位上（0和1），所以我们先要搞清楚十进制和二进制的相互转换。这篇文章开头我会给出一些（二进制-十进制）转换示例，虽然都是以Byte类型进行说明的，但其他诸如Int32、Int16等数值类型转换的原理是一样的。
位操作符的使用不仅仅只在C#和VB.NET两种语言中，本篇文章只以这两种语言举例。
“二进制-十进制”相互转换
这一节中我将介绍有关十进制与二进制相互转换的内容。
十进制->二进制
假设我们有一个十进制数字783，我们可以使用下面的方法将其转换成二进制：
|
除法: |
783 / 2 |
391 / 2 |
195 / 2 |
97 / 2 |
48 / 2 |
24 / 2 |
12 / 2 |
6 / 2 |
3 / 2 |
1 / 2 |
|
商: |
391 |
195 |
97 |
48 |
24 |
12 |
6 |
3 |
1 |
0 |
|
余数: |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
当商为0时，我们停止计算。现在我们从右往左拼接每一步得到的余数，我们会得到1100001111。
按照下面方式可以将一个负十进制数转换为二进制（以-783为例）：
- 先得到783的二进制：0000001100001111（前面空白补0）
- 按位取反得到：1111110011110000
- 然后加1得到：1111110011110001
- 那么，-783的二进制为1111110011110001
- 怎么确定得到的结果是一个负数呢？这主要依赖于数据类型。如果数据类型为Int16，那么第一位若为0，则为正数，否则为负数。如果数据类型是不带符号的，比如UInt16，那么第一位数不代表符号，1111110011110000就是十进制的64752。
二进制->十进制
如果你有一个二进制数字0000000100010110（Int16），现将每个位的顺序颠倒（你会得到0110100010000000），然后使用以下方法：
|
位b: |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
b * 2n |
0 * 20 |
1 * 21 |
1 * 22 |
0 * 23 |
1 * 24 |
0 * 25 |
0 * 26 |
0 * 27 |
1 * 28 |
0 * 29 |
0 * 210 |
0 * 211 |
0 * 212 |
0 * 213 |
0 * 214 |
0 * 215 |
|
结果: |
0 |
2 |
4 |
0 |
16 |
0 |
0 |
0 |
256 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
最后将每一步得到的结果相加：
按照下面方式可以将一个负二进制数值转换成十进制（以1111111111010011为例）：
- 将原数按位取反得到：0000000000101100
- 将取反后的结果转换成十进制：44
- 将44加1得到45
- 将45变为负数：-45
- 最后，负二进制数值1111111111010011的十进制格式为-45
OR运算符（按位或|）
OR运算符工作方式
假设现在有两个Byte类型的数38和53，那么我们先将它们转换成二进制格式：
按照下表的方式：
|
A |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
B |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
A | B (A Or B) |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
如果两个数是Int16类型的，那么它们就有可能是负数。一个负数和一个正数按位或运算后得到的结果还是负数（第一位肯定是1），因此，-15|378（VB.NET中-15 Or 378）的结果为-5。
C#和VB.NET中的按位或运算符的使用，参见下面代码：
[C#]
[VB.NET]
FlagsAttribute
通过使用FlagsAttribute，你可以将枚举类型的每个值都当作二进制中的位（1和0），当然在定义枚举类型的时候有要求，即每个枚举值必须按照1、2、4、8（2的N次方）这样的规律初始化。
[C#]
[VB.NET]
现在你可以使用按位或运算符来操作枚举类型：
[C#]
[VB.NET]
AND运算符（按位与&）
假设有两个数76和231，我们现将它们转换成二进制：
然后按照下表计算：
|
A |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
B |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
A & B (A And B) |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
仅仅当A和B都为负时，A&B（VB.NET中的A And B）的结果才为负，其他情况下结果都为正（只有A和B的第一位都为1时，结果的第一位才为1）。
C#和VB.NET中的按位与运算符的使用，参见下图：
[C#]
[VB.NET]
XOR运算符（按位异或^）
XOR运算符的工作方式
按位或OR运算符不同于按位异或XOR运算符。如果你使用按位或OR，那么1|1（VB.NET中的1 Or 1）的结果为1，但是如果你使用按位异或XOR，那么1^1（VB.NET中的1 Xor 1）的结果为0。仅仅在1^0或者0^1时，结果才为1。
假设你有两个数值138和43，那么现将它们转换为二进制格式：
然后按照下表：
|
A |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
B |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
A ^ B (A Xor B) |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
C#和VB.NET中的按位异或运算符的使用，参见下面代码：
[C#]
[VB.NET]
使用XOR交换变量值的算法
使用XOR运算符可以交换两个变量值，并且不需要中间临时变量做辅助：
[C#]
[VB.NET]
使用XOR加密
在XOR运算符的帮助下，你可以给一个文本加密。遍历文本的每个字符，然后使用XOR运算符c ^ k（VB.NET中的c Xor k）生成新的字符。其中k就是一个整数值。
[C#]
[VB.NET]
最终输出结果为zFG]♫G]♫O♫CK]]OIK。这种方式加密非常容易被破解，所以最好不要使用单一的字符（比如k），我们可以使用一串文本：
[C#]
[VB.NET]
最终的输出为m_☻\ D+♫.↓Z♫\SL?Ka。现在破解这个加密算法相对来讲要复杂一些，但是这种方式还不是很保险，如果别人知道了你的key（代码中的k字符串），那么破解起来相当简单。因此，不要使用XOR这种方式作为加密的单一算法，如果你对安全、加密感兴趣，你可以结合其他的一些加密方式，将XOR运算符应用到其中，作为整个加密过程的一部分。
NOT运算符（按位非~）
按位非操作符NOT将会改变二进制中每位的值，0变为1，1变为0。如果一个数值有符号，那么整数经过运算后会变成负数，负数经过变换后会变为正数。如果数值没有符号，那么永远都为正（0除外）。假设你有一个数值52（二进制00110100，Byte类型，无符号），那么~52（VB.NET中的Not 52）的计算方式为：
|
A |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
~A |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
将11001011转换成十进制为203，所以~52（Byte类型）的值为203。
C#和VB.NET中按位非运算符的使用，参见下面代码：
[C#]
[VB.NET]
左移运算符（<<）
左移运算符工作方式
x<<n表示将X的二进制格式中的每位向左移动n个位置，右边空出来的位置补0。
如图所示，每位均向左移动1个位置，右边空出来的位置补0。所以154<<1等于52。154<<n的值参见下表：
|
154 << 0 (= 154) |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
154 << 1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
154 << 2 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
154 << 3 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
154 << 4 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
154 << 5 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
154 << 6 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
154 << 7 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
154 << 8 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
C#和VB.NET中左移运算符的使用，参见下面代码：
[C#]
[VB.NET]
使用左移运算符计算2的幂
1<<n的值为（2的n次方），但是使用这种方式计算2的幂要比使用Math.Pow更快：
[C#]
[VB.NET]
右移运算符（>>）
右移运算符工作方式
x>>n表示将x的二进制格式的每位均向右移动n个位置，左边空出来的位置补0（与左移相反）。
如上图所示，每位均向右移动1个位置。所以155>>1的值为77。注意如果为负数，那么它的符号会被隐藏掉。
下表显示的是计算155>>n的值：
|
155 >> 0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
155 >> 1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
155 >> 2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
155 >> 3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
155 >> 4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
155 >> 5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
155 >> 6 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
155 >> 7 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
155 >> 8 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
C#和VB.NET中的右移运算符的使用，参见下面代码：
[C#]
[VB.NET]
使用右移运算符计算x/（2的幂）
x>>n的值等于x/（2的n次方），比如8>>2的值为8/（2的2次方），也就是8/4。
[C#]
[VB.NET]
当然，这种方式的计算速度也要高于8/Math.Pow(2,2);
[C#]
[VB.NET]
循环按位移动
循环按位左移
循环按位左移会将数值的二进制格式中的每位均向左移动1个位置，然后将移出来的数值（1或0）替补到右边空白处。
上图显示了将154循环按位向左移动1位，它的值等于154<<1|154>>7。循环按位左移得到的结果可以归纳为：a<<n|a>>(b-n)。b为数值的位数，如果数值为Byte类型，那么最后的结果为a<<n|a>>(8-n)，如果数值为Int32类型，那么b为32，最后的结果为a<<n|a>>(32-n)。
C#和VB.NET中循环按位左移的使用，可以参见下面：
[C#]
[VB.NET]
循环按位右移
循环按位右移会将数值的二进制格式的每位均向右移动1个位置，然后将移出来的数值（1或0）替补到左边空白处。
如上图所示，将155循环按位右移1个位置，最后它的值等于155>>1|155<<7。循环按位右移得到的结果可以归纳为：a>>n|a<<(b-n)。其中b为数值位数。如果数值为Byte类型，那么结果为a>>n|a<<(8-n)，如果数值为Int32类型，那么得到的结果为a>>n|a<<(32-n)。
C#和VB.NET中循环按位右移的使用，可以参见下面代码：
[C#]
[VB.NET]
译者注：在使用位操作符时，一定要先确定被操作的数值是什么类型，占多少位，同一个数值，数据类型不同，最后得到的结果不一样。原文中，对于任何一个数值（比如52），都在强调它是Byte类型还是Int16类型。
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