Bit Operations

位运算就是基于整数的二进制表示进行的运算。由于计算机内部就是以二进制来存储数据，位运算是相当快的。

基本的位运算共 6 种，分别为按位与、按位或、按位异或、按位取反、左移和右移。

为了方便叙述，下文中省略“按位”。

与、或、异或

这三者都是两数间的运算，因此在这里一起讲解。

它们都是将两个整数作为二进制数，对二进制表示中的每一位逐一运算。

运算 运算符 数学符号表示 解释
与 & \& 、 \operatorname{and} 只有两个对应位都为 1 时才为 1
或 | \mid 、 \operatorname{or} 只要两个对应位中有一个 1 时就为 1
异或 ^ \oplus 、 \operatorname{xor} 只有两个对应位不同时才为 1

注意区分逻辑与（对应的数学符号为 \wedge ）和按位与、逻辑或（ \vee ）和按位或的区别。网络中的资料中使用的符号多有不规范之处，以上下文为准。

异或运算的逆运算是它本身，也就是说两次异或同一个数最后结果不变，即 a \oplus b \oplus b = a 。

举例：

\begin{aligned} 5 &=(101)_2\\ 6 &=(110)_2\\ 5\operatorname\&6 &=(100)_2 =\ 4\\ 5\operatorname|6 &=(111)_2 =\ 7\\ 5\oplus6 &=(011)_2 =\ 3\\ \end{aligned}

取反

取反是对一个数 num 进行的位运算，即单目运算。

取反暂无默认的数学符号表示，其对应的运算符为 ~。它的作用是把 num 的二进制补码中的 0 和 1 全部取反（ 0 变为 1 ， 1 变为 0 ）。有符号整数的符号位在 ~ 运算中同样会取反。

补码：在二进制表示下，正数和 0 的补码为其本身，负数的补码是将其对应正数按位取反后加一。

举例（有符号整数）：

\begin{aligned} 5&=(00000101)_2\\ \text{~}5&=(11111010)_2=-6\\ -5\text{ 的补码}&=(11111011)_2\\ \text{~}(-5)&=(00000100)_2=4 \end{aligned}

左移和右移

num << i 表示将 num 的二进制表示向左移动 i 位所得的值。

num >> i 表示将 num 的二进制表示向右移动 i 位所得的值。

举例：

\begin{aligned} 11&=(00001011)_2\\ 11<<3&=(01011000)_2=88\\ 11>>2&=(00000010)_2=2 \end{aligned}

移位运算中如果出现如下情况，则其行为未定义：

  1. 右操作数（即移位数）为负值；
  2. 右操作数大于等于左操作数的位数；

例如，对于 int 类型的变量 a ， a<<-1 和 a<<32 都是未定义的。

对于左移操作，需要确保移位后的结果能被原数的类型容纳，否则行为也是未定义的。1对一个负数执行左移操作也未定义。2

对于右移操作，右侧多余的位将会被舍弃，而左侧较为复杂：对于无符号数，会在左侧补 0 ；而对于有符号数，则会用最高位的数（其实就是符号位，非负数为 0 ，负数为 1 ）补齐。3

复合赋值位运算符

和 += , -= 等运算符类似，位运算也有复合赋值运算符： &= , |= , ^= , <<= , >>= 。（取反是单目运算，所以没有。）

关于优先级

位运算的优先级低于算术运算符（除了取反），而按位与、按位或及异或低于比较运算符（详见 运算页面 ），所以使用时需多加注意，在必要时添加括号。

位运算的应用

位运算一般有三种作用：

  1. 高效地进行某些运算，代替其它低效的方式。

  2. 表示集合。（常用于 状压 DP 。）

  3. 题目本来就要求进行位运算。

需要注意的是，用位运算代替其它运算方式（即第一种应用）在很多时候并不能带来太大的优化，反而会使代码变得复杂，使用时需要斟酌。（但像“乘 2 的非负整数次幂”和“除以 2 的非负整数次幂”就最好使用位运算，因为此时使用位运算可以优化复杂度。）

有关 2 的幂的应用

由于位运算针对的是变量的二进制位，因此可以推广出许多与 2 的整数次幂有关的应用。

将一个数乘（除） 2 的非负整数次幂：

int mulPowerOfTwo(int n, int m) {  // 计算 n*(2^m)
  return n << m;
}
int divPowerOfTwo(int n, int m) {  // 计算 n/(2^m)
  return n >> m;
}

Warning

我们平常写的除法是向 0 取整，而这里的右移是向下取整（注意这里的区别），即当数大于等于 0 时两种方法等价，当数小于 0 时会有区别，如： -1 / 2 的值为 0 ，而 -1 >> 1 的值为 -1 。

判断一个数是不是 2 的非负整数次幂：

bool isPowerOfTwo(int n) { return n > 0 && (n & (n - 1)) == 0; }

对 2 的非负整数次幂取模：

int modPowerOfTwo(int x, int mod) { return x & (mod - 1); }

取绝对值

在某些机器上，效率比 n > 0 ? n : -n 高。

int Abs(int n) {
  return (n ^ (n >> 31)) - (n >> 31);
  /* n>>31 取得 n 的符号，若 n 为正数，n>>31 等于 0，若 n 为负数，n>>31 等于 -1
     若 n 为正数 n^0=n, 数不变，若 n 为负数有 n^(-1)
     需要计算 n 和 -1 的补码，然后进行异或运算，
     结果 n 变号并且为 n 的绝对值减 1，再减去 -1 就是绝对值 */
}

取两个数的最大/最小值

在某些机器上，效率比 a > b ? a : b 高。

// 如果 a>=b,(a-b)>>31 为 0，否则为 -1
int max(int a, int b) { return b & ((a - b) >> 31) | a & (~(a - b) >> 31); }
int min(int a, int b) { return a & ((a - b) >> 31) | b & (~(a - b) >> 31); }

判断两非零数符号是否相同

bool isSameSign(int x, int y) {  // 有 0 的情况例外
  return (x ^ y) >= 0;
}

交换两个数

该方法具有局限性

这种方式只能用来交换两个整数，使用范围有限。

对于一般情况下的交换操作，推荐直接调用 algorithm 库中的 std::swap 函数。

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

操作一个数的二进制位

获取一个数二进制的某一位：

// 获取 a 的第 b 位，最低位编号为 0
int getBit(int a, int b) { return (a >> b) & 1; }

将一个数二进制的某一位设置为 0 ：

// 将 a 的第 b 位设置为 0 ，最低位编号为 0
int unsetBit(int a, int b) { return a & ~(1 << b); }

将一个数二进制的某一位设置为 1 ：

// 将 a 的第 b 位设置为 1 ，最低位编号为 0
int setBit(int a, int b) { return a | (1 << b); }

将一个数二进制的某一位取反：

// 将 a 的第 b 位取反 ，最低位编号为 0
int flapBit(int a, int b) { return a ^ (1 << b); }

这些操作相当于将一个 32 位整型变量当作一个长度为 32 的布尔数组。

模拟集合操作

一个数的二进制表示可以看作是一个集合（ 0 表示不在集合中， 1 表示在集合中）。比如集合 \{1,3,4,8\} ，可以表示成 (100011010)_2 。而对应的位运算也就可以看作是对集合进行的操作。

操作 集合表示 位运算语句
交集 a \cap b a & b
并集 a \cup b a|b
补集 \bar{a} ~a （全集为二进制都是 1）
差集 a \setminus b a & (~b)
对称差 a\triangle b a ^ b

子集遍历：

// 遍历 u 的非空子集
for (int s = u; s; s = (s - 1) & u) {
  // s 是 u 的一个非空子集
}

用这种方法可以在 O(2^{\text{popcount}(u)}) （ \text{popcount}(u) 表示 u 二进制中 1 的个数）的时间复杂度内遍历 u 的子集，进而可以在 O(3^n) 的时间复杂度内遍历大小为 n 的集合的每个子集的子集。（复杂度为 O(3^n) 是因为每个元素都有 不在大子集中/只在大子集中/同时在大小子集中 三种状态。）

内建函数

GCC 中还有一些用于位运算的内建函数：

  1. int __builtin_ffs(int x) ：返回 x 的二进制末尾最后一个 1 的位置，位置的编号从 1 开始（最低位编号为 1 ）。当 x 为 0 时返回 0 。

  2. int __builtin_clz(unsigned int x) ：返回 x 的二进制的前导 0 的个数。当 x 为 0 时，结果未定义。

  3. int __builtin_ctz(unsigned int x) ：返回 x 的二进制末尾连续 0 的个数。当 x 为 0 时，结果未定义。

  4. int __builtin_clrsb(int x) ：当 x 的符号位为 0 时返回 x 的二进制的前导 0 的个数减一，否则返回 x 的二进制的前导 1 的个数减一。

  5. int __builtin_popcount(unsigned int x) ：返回 x 的二进制中 1 的个数。

  6. int __builtin_parity(unsigned int x) ：判断 x 的二进制中 1 的个数的奇偶性。

这些函数都可以在函数名末尾添加 l 或 ll （如 __builtin_popcountll ）来使参数类型变为 ( unsigned ) long 或 ( unsigned ) long long （返回值仍然是 int 类型）。 例如，我们有时候希望求出一个数以二为底的对数，如果不考虑 0 的特殊情况，就相当于这个数二进制的位数 -1 ，而一个数 n 的二进制表示的位数可以使用 32-__builtin_clz(n) 表示，因此 31-__builtin_clz(n) 就可以求出 n 以二为底的对数。

由于这些函数是内建函数，经过了编译器的高度优化，运行速度十分快（有些甚至只需要一条指令）。

更多位数

如果需要操作的集合非常大，可以使用 bitset 。

题目推荐

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参考资料与注释

  1. 位运算技巧： https://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html
  2. Other Builtins of GCC： https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Other-Builtins.html

  1. 适用于 C++14 以前的标准。在 C++14 和 C++17 标准中，若原值为带符号类型，且移位后的结果能被原类型的无符号版本容纳，则将该结果 转换 为相应的带符号值，否则行为未定义。在 C++20 标准中，规定了无论是带符号数还是无符号数，左移均直接舍弃移出结果类型的位。 ↩

  2. 适用于 C++20 以前的标准。 ↩

  3. 这种右移方式称为算术右移。在 C++20 以前的标准中，并没有规定带符号数右移运算的实现方式，大多数平台均采用算术右移。在 C++20 标准中，规定了带符号数右移运算是算术右移。 ↩

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