C语言 int 整型转换为 2 进制字符串__按位操作实现

编译器版本: gcc.exe (Rev3, Built by MSYS2 project) 12.1.0

windows 版本: win11

VsCode版本: 1.70.1 (system setup)

经过几个月的刻苦学习，对 C 语言有有了新的了解，在本文中，将使用按位操作将 int 整型转换为 2 进制字符串。晦涩难懂的部分将给出解释，看不懂的地方可以多看几遍，或者在评论区进行讨论。

设计思路

在计算机中所有的数据都以 2 进制的形式储存，int 整型也不例外，我们以高位向低位的顺序依次读取每一位的数据，再将数据映射到 2 进制字符串中。无论在 win32 还是 win64 中，int 都以 4 字节 (Byte) 大小进行储存，每一个字节 (Byte) 占用 8 比特 ( bit )，数据位一共为 32 bit，即 32 位，我们知道 32 位的数据一共可以表示 2^32 次方个数，通过 32 个不同位置的 bit 进行表示。

那么，要如何读取特定位置的信息呢？在 C 语言中，提供了一些按位操作符：&(按位与)，|(按位或)，^(按位异或) ，<<(左移)，>>(右移)，通过常用的这五个操作符，可以将特定位置的数据读取出来，如果想要查看更多按位操作符，可以在 <iso646.h> 头文件中查看，这里不在赘述。按位操作是有使用前提条件的，按位操作只对整型变量有意义，对其他如浮点型数据无意义，浮点类型数据以另一种方式进行存储。接下来简述这五个按位操作符的运算原则：按位与 —— &，双目运算符，两个相同位置上数的位运算，两者为 1 ，结果为1。

按位或—— |，双目运算符，两个相同位置上数的位运算，其中一者为 1，结果为 1。

按位异或—— ^，双目运算符，两个相同位置上数的位运算，不带进位的加法。

左移——<<，双目运算符，将所有位向左移动 n 位，如 93 << 2，低位补零，高位销毁。

右移——>>，双目运算符，将所有的位向右移动 n 位，如 93 >> 2，高位补零，低位销毁。

如上图所示，如果我们想提取数 93 第 7 位的数据，先使用按位或将低 6 位置 1，第 8 位置 1，然后使用按位异或将低 6 位置 0，第 8 位置 0 ，最后使用移位，将第 7 位数据移动到第 1 位即可知道该位是 1 还是 0。

通过这种方法，可以读取任意位置的数据。我们从高位向低位读取数据，这样方便字符数组存储数据。

代码实现

int 整型占用 4 字节 32 位，如果使用外部字符数组接收，其长度应当大于 32 ，但在实际开发过程中，我们为了能够更好优化代码，在函数内部定义了一个临时字符数组，其长度为 64，因此当外部数组的长度小于 64 时，函数退出，这是为了保证字符串数组不被截断或者溢出。

判断应当位于所有入栈数据之前，当发生错误时，不会因为其余数据入栈出栈而占用时间、空间上的开销。

我们知道函数出栈后，数据就会被丢弃，可以通过传递二级指针来实现函数内部操作外部数据。这是函数声明：

形参 number 不是无符号 int，其高位表示这个数是否为负数，高位为 1 时，这个数为负数，高位为 0 时这个数为正数，但是这种读取原则，可能干扰我们转换为 2 进制的思路，可以将接收进来的 number 使用 unsigned int 接收，2 进制是不分正负的，当一个特殊需求产生时，任何一个位都可以当做正负号。

无论在 win32，还是 win64 平台中，int 都是 4 字节，为了保险起见，我们使用 sizeof() 获取占用的空间大小，* 8 是得到所有的 bit 数目。

这是代码核心的部分，为了读取特定位的数据，我们需要两把刷子，将位左右的数据清洗掉。

代码最关键的部分，我们使用 i，j，分别指定左边刷子和右边刷子的位置，在系统中，如果直接左移或者右移 32 位，系统就会认定数据回到了原来的位置，所以位置不变，为了避免这种情况发生，我们先移动 31 位，再移动 1 位，移动其他位数时，不会产生影响。

左刷子 bitwiseLeft 是通过 0xFFFFFFFF 向左移 i 而得到的，在程序中刷子的位置是根据 i 定位的，i 随着程序运行逐渐变小，刷子逐渐向右移动。

右刷子 bitwiseRight 通过 0xFFFFFFFF 向右移 i 得到，在程序中刷子的位置根据 j 定位，j 随着程序运行而变大，刷子逐渐向右移动。

两个刷子中间总是保留一位的数据供读取。其运行轨迹如下图。

将刷子的行为细分，它其实分两个动作的，第一步，将不要的数据刷上漆，第二步，将刷漆的部分扯下来；它所对应的部分是 （_number | bitwiseRight) | bitwiseLeft 刷左漆与右漆，^ bitwiseLeft + bitwiseRight 将刷漆的部分扯下来。剩下的就是要提取的数据，该数据的位置通过 i 锁定，右移 i ，就可以将其移动到第一位，其值为 1 或 0，将其转换为字符 1 或者 0，需要加上 48 ，字符 '0' 的 ASCII 编码为 48，字符 '1' 的 ASCII 编码为 49，通过加上常数 48 就可转换为字符了，左边 binary 数组的索引是 j ，j 随着程序运行而增大，从 0 开始，至 31 结束，可以保存 32 位 2 进制值。

最后通过字符串复制函数将字符串复制到外部字符数组中。*recvArray 取 2 级指针的值，即外部字符数组的地址。

视觉优化

到这里应该就结束了，但实际运行中会出现很多 0 ，如输入17 得到 00000000000000000000000000010001，我们可以通过简单的语句将 0 消除，得到 10001。

感兴趣的朋友可以研究一下这段代码，说不定有意外收获，解答在代码展示下面。

代码展示

解答

在 for 括号中，定义了 size_t 类型的变量，它和指针类型的长度是一致的。所以 j = (size_t)--pValidChar 是不会报错的。

在括号中，定义了 i，j 两个变量，通过判断两个变量值是否一致来决定函数出口，for 循环中只有一句语句，这句语句本质上是一个三目运算，它分为判断语句  *pValidChar ++ == 49 ，? 后面会有两个分支，第一个分支是 ? 与 : 中间的部分，它可以是一个表达式，也可以是一个值，第二个分支是 : 与 ; 中间的部分，它可以是一个表达式，也可以是一个值。当前面判断语句结果为 true 时，返回第一个分支的值，若为 false 返回第二个分支的值；在此句中没有变量接收返回的值，所以值会被丢弃；在两个分支中还可以使用带返回值的函数如 printf();

17 转换为:10001 产生的输出

在三目运算符中 j = (size_t)--pValidChar 运算是被允许的，但 j = printf("hello j:%lld\n") 就会报错。