C语言 如何执行字节的循环旋转

Question

我正在尝试实现一个函数，该函数向左和向右执行字节的循环旋转。

我为这两个操作编写了相同的代码。例如，如果向左旋转1010则变为0101 。这是对的吗？

unsigned char rotl(unsigned char c) {
    int w;
    unsigned char s = c;
    for (w = 7; w >= 0; w--) {
       int b = (int)getBit(c, w);//
       if (b == 0) {
           s = clearBit(s, 7 - w);
       } else if (b == 1) {
           s = setBit(s, 7 - w);
       }
    }
    return s;
}
unsigned char getBit(unsigned char c, int n) {
    return c = (c & (1 << n)) >> n;
}
unsigned char setBit(unsigned char c, int n) {
    return c = c | (1 << n);
}
unsigned char clearBit(unsigned char c, int n) {
    return c = c &(~(1 << n));
}

Answer 1

C 中没有旋转运算符，但是如果您编写：

unsigned char rotl(unsigned char c)
{
    return (c << 1) | (c >> 7);
}

然后，根据这个：http://www.linux-kongress.org/2009/slides/compiler_survey_felix_von_leitner.pdf(第 56 页(，编译器将弄清楚你想要做什么，并在一个(非常快的(指令中执行旋转。

Answer 2

阅读到目前为止的答案和评论，似乎对您要完成的任务有些困惑 - 这可能是因为您使用的单词。在位操作中，您可以执行一些"标准"操作。我将总结其中的一些，以帮助澄清不同的概念。在接下来的所有内容中，我将使用 abcdefgh 表示 8 位(可以是 1 或 0( - 当它们四处移动时，同一个字母将引用相同的位(可能在不同的位置(;如果一点变成"绝对0或1，我会这样表示(。

1(位移：这本质上是"快速乘以或除以2的幂"。使用的符号<<表示"左移"(乘法(或>>表示右移(除法(。 因此

abcdefgh >> 2 = 00abcdef

(相当于"除以四"(和

abcdefgh << 3 = abcdefgh000 

(相当于"乘以八" - 并假设有"空间"将abc移入;否则这可能会导致溢出(

2(位屏蔽：有时您想将某些位设置为零。为此，您可以对一个数字执行 AND 操作，该数字包含要保留位的位置和要清除位的零。

abcdefgh & 01011010 = 0b0de0g0

或者，如果要确保某些位为 1，请使用 OR 操作：

abcdefgh | 01011010 = a1c11f1h

3(循环移位：这有点棘手 - 在某些情况下，您想要"移动位"，而"一端脱落"的位在另一端重新出现。在C语言中没有符号，也没有"快速指令"(尽管大多数处理器都有一个内置指令，汇编代码可以利用该指令进行FFT计算等(。 如果要按三个位置进行"左圆移"：

circshift(abcdefgh, 3) = defghabc

(注意：标准 C 库中没有circshift函数，尽管它存在于其他语言中 - 例如 Matlab(。出于同样的原因，"右移"将是

circshift(abcdefgh, -2) = ghabcdef

4(位反转

：有时您需要反转数字中的位。反转位时，没有"左"或"右"——反转是反转：

reverse(abcdefgh) = hgfedcba

同样，标准 C 库中实际上没有"反向"函数。

现在，让我们来看看在 C 中实现最后两个函数(circshift 和 reverse (的一些技巧。有整个网站致力于"操纵位的聪明方法" - 例如，请参阅这个优秀的网站。对于一个精彩的"位黑客"集合，尽管其中一些可能有点高级......

unsigned char circshift(unsigned char x, int n) {
  return (x << n) | (x >> (8 - n));
}

这使用了上面的两个技巧：移动位，以及使用 OR 操作将位设置为特定值。让我们看看它是如何工作的，对于 n = 3(注意 - 我忽略了第 8 位以上的位，因为函数的返回类型是 unsigned char (：

(abcdefgh << 3)       = defgh000
(abcdefgh >> (8 - 3)) = 00000abc

取这两个的按位 OR 给出

defgh000 | 00000abc = defghabc

这正是我们想要的结果。另请注意，a << n 与 a >> (-n) 相同;换句话说，负数右移与正数左移相同，反之亦然。

现在让我们看一下reverse函数。有"快速方法"和"慢方法"来做到这一点。你上面的代码给出了一个"非常慢"的方式 - 让我告诉你一个"非常快"的方式，假设你的编译器允许使用64位(long long(整数。

unsigned char reverse(unsigned char b) {
  return (b * 0x0202020202ULL & 0x010884422010ULL) % 1023;
}

你可能会问自己"刚刚发生了什么???让我向您展示：

b = abcdefgh
* 0x0000000202020202 = 00000000 00000000 0000000a bcdefgha bcdefgha bcdefgha bcdefgha bcdefgh0
& 0x0000010884422010 = 00000000 00000000 00000001 00001000 10000100 01000010 00100000 00010000
                     = 00000000 00000000 0000000a 0000f000 b0000g00 0c0000h0 00d00000 000e0000

请注意，我们现在拥有所有位恰好一次 - 它们只是以一种相当奇怪的模式。模 1023 除法将感兴趣的位"折叠"在一起——这就像魔术一样，我无法解释。结果确实是

hgfedcba

实现相同目标的一种稍微不那么晦涩的方法(效率较低，但对较大的数字非常有效(认识到，如果您交换相邻位，然后是相邻的位对，然后是相邻的半字节(4 位组(等 - 您最终会得到一个完整的位反转。在这种情况下，字节反转变为

unsigned char bytereverse(unsigned char b) {
  b = (b & 0x55) << 1 | (b & 0xAA) >> 1; // swap adjacent bits
  b = (b & 0x33) << 2 | (b & 0xCC) >> 2; // swap adjacent pairs
  b = (b & 0x0F) << 4 | (b & 0xF0) >> 4; // swap nibbles
  return b;
}

在这种情况下，字节b = abcdefgh会发生以下情况：

b & 0x55 = abcdefgh & 01010101 = 0b0d0f0h << 1 = b0d0f0h0
b & 0xAA = abcdefgh & 10101010 = a0c0e0g0 >> 1 = 0a0c0e0g
OR these two to get badcfehg

下一行：

b & 0x33 = badcfehg & 00110011 = 00dc00hg << 2 = dc00hg00
b & 0xCC = badcfehg & 11001100 = ba00fe00 >> 2 = 00ba00fe
OR these to get dcbahgfe

最后一行：

b & 0x0F = dcbahgfe & 00001111 = 0000hgfe << 4 = hgfe0000
b & 0xF0 = dcbahgfe & 11110000 = dcba0000 >> 4 = 0000dcba
OR these to get hgfedcba

这是你所追求的反转字节。应该很容易看出，只要再多几行(类似于上面(就能得到一个反转的整数(32 位(。随着数字大小的增加，这个技巧变得越来越有效，相对而言。

我相信您正在寻找的答案是上述"某处"。如果没有别的，我希望您对 C 语言中位操作的可能性有更清晰的了解。

Answer 3

如果根据您的评论，您想精确地移动一点，那么实现此目的的一种简单方法是：

unsigned char rotl(unsigned char c)
{
    return((c << 1) | (c >> 7));
}

你的代码所做的是反转位;而不是旋转它们。例如，它会10111001变成10011101，而不是01110011。