在C语言中，移位操作是一种十分常见的操作，对应着左移和右移两种形式。它们可以使你的代码更加高效、灵活，以及节省空间。掌握C语言中的移位操作技巧以及应用方法是非常重要的，本文将针对此进行深入探讨。

什么是移位操作？

移位操作是指将二进制数字向左或向右移动指定的位数，被移位的数在二进制中，相当于被填充了一些零位。左移和右移的数位操作符分别是 << 和 >>。

左移操作：将数学上的乘法操作转变为位操作，将原数的二进制表示向左移动若干位，即为在原数的二进制表示最低位(右边)补上若干个"0"，然后得到新的整数。例如，2<<2的结果为8，即2的二进制表示为10，左移两位补零得到1000，转成十进制为8。

右移操作：将数学上的除法操作转变为位操作，将原数的二进制表示向右移动若干位，即为在原数的二进制表示最高位(左边)补上若干个"0"或"1"，然后得到新的整数。若为正数，则左补"0"，若为负数，则左补"1"，这样形成了补码。例如，8>>2的结果为2，即8的二进制表示为1000，右移两位变成0010，转成十进制为2。

掌握移位操作技巧

首先，在进行移位操作时，我们需要注意数据类型的长度。在C语言中，int的长度通常是32位，因此，左移最多只能移动31位，而右移最多只能移动30位（因为我们还要保留符号位）。如果移动时超出了这个范围，我们就要出现未定义行为，这也是一种非常棘手的错误。

其次，在移位时，我们需要格外注意有符号整数和无符号整数的区别。左移无论是有符号还是无符号整数，都是在右边补零，但右移则不同。对于有符号整数，右移时会根据符号位在左边补相同的符号位，而无符号整数则是在左边补零。

其次，如果移位结果的长度超出了数据类型的长度时，得到的结果是未定义的，也就是说，结果值有可能是不确定的。解决这个问题的一种方法是，可以将操作数限制在需要的范围内，以避免超出范围，例如：

int a = 5;

int b = (a << 30); // 未定义行为

int c = ((a << 30) & 0x3FFFFFFF); // 一种解决方案

应用移位操作的方法

1. 用左移操作生成一个自由容量的数组

在C语言中，我们可以使用左移操作（ << ）来生成一个自由容量的数组，例如：

int *arr = (int *) malloc(10 << 2); // 等同于 malloc(40)

这行代码中，我们将10左移两个字节的位数(4位)，即相当于40，这就等同于调用malloc函数时申请40个字节的内存空间。如果需要将数组大小乘以2的k次方，那么我们就可以用左移操作实现这一目标。

2. 用左移操作进行位运算

移位操作也可以用来进行位运算。例如，用一个位掩码来清除一个8位数的低位至第5位，就可以使用如下代码：

unsigned char x = 0xFA;

x = (x & 0xE0);

这行代码中，先定义了一个8位无符号整数（unsigned char） x，然后我们使用移位运算符&或 |（或者 ^）进行位运算。 这里，我们使用&操作符将x与另一个8位掩码0xE0进行位运算，生成了一个新的8位值。使用这样的技技巧，我们可以清除x的低位，以及从第5位后的所有位。掩码操作通常与按位操作符一起使用，因为它们往往可以帮助我们提取、清除或设置特定的二进制位。

3. 用右移操作设置位域

位域是一种C语言中非常有用的结构，可以有效地压缩内存，以及节省空间。也就是说，我们可以使用相对较少数量的位来存储数据，而不是使用更多的字节。其中right shift也有很大的作用。

位域可以由特定数量的二进制位组成，可以被设计用来存储各种类型的数据。在结构中，我们可以定义一个位域类型，例如：

struct student {

unsigned int ID:10; /* 位域 */

unsigned int sex:1; /* 位域 */

}Jack;

在这个例子中，我们定义了一个名叫Jack的结构，包含两个位域(ID和sex)，分别占据了10位和1位。这意味着ID最大可以存储1023，而sex则只能存储0或1。

当我们定义位域时，我们需要格外注意不同的编译器和不同的架构之间的差异，有些编译器可能会有自己的特殊规定和不同的命名方式。

4. 移位操作实现数学计算

移位操作还可以用来实现一些数学计算，例如，我们可以通过位运算来模拟除以2或者乘以2的操作。例如：

/* 除以2 */

int x = 10;

int y = (x >> 1); // 等同于 x/2

/* 乘以2 */

int x = 10;

int y = (x << 1); // 等同于 x*2

这些代码使用位移运算符来模拟乘法和除法的计算。左移运算符（ << ）相当于将一个数乘以2的k次方，而符号位保留不变。而右移运算符（ >> ）相当于将一个数除以2的k次方，同时保留符号位。

5. 用左移操作生成常量

C语言中常量的计算是在程序执行之前完成的，因此对于常量来说，使用位移运算符可以使得常量计算更加高效，例如：

#define FOUR (1 << 2) // 1左移2位，等同于4

#define EIGHT (1 << FOUR) // 根据上面定义的FOUR，1左移四位，等同于16

这里，我们使用了位移运算符来定义一个值为4的常量FOUR，以及一个值为16的常量EIGHT。这样的定义方式，可以使得代码更加清晰易读，以及保证了在编译期间计算，提高了代码的效率。

总结

我们已经了解了C语言中移位操作的技巧和应用方法，这些技巧和方法有助于我们更加灵活、高效地编写代码， 同时避免了一些未定义行为的风险。在进行移位操作时，需要格外注意数据类型的长度，以及有符号整数和无符号整数的区别。移位操作不仅可以用来进行位运算，还可以用于位域的设置和数学计算的模拟。希望读者们可以更加深入地探索移位操作，在实际的工作与学习中举一反三，灵活应用。