Operações bit a bit, operações com bits ou lógica binária, normalmente se refere a operações lógicas feitas com números binários. Essas operações variam desde operações AND
, OR
, NOT
, XOR
, NOR
, NAND
, simples deslocamento de bits, entre outras operações. Cabe dizer que algumas dessas operações aqui citadas são agrupamentos de outras operações, como a NAND
, que é um agrupamento de uma lógica AND
com a lógica NOT
. Há também coisas interessantes a serem estudadas, como Álgebra de Boole (ou Álgebra Booleana) e os Teoremas de De Morgan.
Operação NOT.
A operação NOT
(NÃO), também chamada de "negação" ou "inversão", é a mais simples das operações, pois consiste em inverter o estado dos bits. Tomemos como exemplo o número binário 00111100
. Após passar por uma operação NOT
se torna 11000011
. Em algumas linguagens de programação, como C
, se usa o operador ~
para inverter o estado dos bits. A operação NOT
segue a tabela verdade:
Tomemos como exemplo o seguinte código em C
:
unsigned char x, y;
x = 44;
printf("x = %d\n", x);
y = ~x;
printf("~x = %d\n", y);
Este trecho resulta na seguinte impressão:
x = 44
~x = 211
Você pode verificar o tamanho que uma variável ocupa em C
através da chamada de função sizeof(type)
. Essa função retorna o tamanho da variável em bytes, de forma que é preciso multiplicar o resultado por 8 para obter o valor em bits.
printf("Tamanho do char é de %d bits e %d byte (s)\n", (sizeof(char) * 8), sizeof(char));
Este trecho resulta na seguinte impressão:
Tamanho do char é de 8 bits e 1 byte (s)
Pelo fato do tipo char em C
ser uma variável de 8 bits, ao fazer a atribuição de x = 44
o que se está fazendo é atribuir uma variável que contenha o valor 00101100
. Ou melhor:
x = 44 é:
128| 64| 32| 16| 8| 4| 2| 1
0| 0| 1 | 0 | 1| 1| 0| 0
Assim sendo, temos 32 + 8 + 4 que equivale aos 44 já mencionados. Mas quando se passa a operação NOT
, você inverte o estado destes bits, ficando:
x = 44 é:
0| 0| 1| 0| 1| 1| 0| 0
y = ~x é:
1| 1| 0| 1| 0| 0| 1| 1 Equivalente a 211
Uma coisa que é interessante notar é que o inverso de 44 em uma variável de 8 bits é 211. Uma variável de 8 bits armazena 256 valores, sendo estes valores de 0 a 255, logo pode se dizer que ao efetuar uma negação, você obtém o valor restante aos 255 (44 + 211 = 255).
Operação AND.
A operação AND
(E), também chamada de "conjunção", tem como símbolo o *
ou .
e retorna 1 quando, e somente quando, todos os bits forem 1 (ou verdadeiros). Na linguagem C
essa operação tem como símbolo o &
entre duas variáveis. A operação AND
(OU) é uma operação que segue a seguinte tabela verdade:
Tomemos agora o seguinte trecho de código:
y = x & 67;
printf("x & 67 = %d\n", y);
Este trecho resulta na seguinte impressão:
x & 67 = 0
x
ainda equivale a 44, ou seja 00101100
em binário. Ao efetuar uma operação AND
com 67 (01000011
em binário) o que na verdade está se fazendo é:
MSB (Most Significant Bit)
x & 67
0 AND 0 => 0
0 AND 1 => 0
1 AND 0 => 0
0 AND 0 => 0
1 AND 0 => 0
1 AND 0 => 0
0 AND 1 => 0
0 AND 1 => 0
LSB (Least Significant Bit)
00000000 binário => 0 decimal
Portanto, uma operação AND
entre 44 & 67
retorna o número 0, impresso na linha seguinte.
Operação OR.
A operação OR
(OU), também chamada de "disjunção", tem como símbolo o +
. Esta operação retorna 1 quando qualquer um dos bits for 1 e retorna 0 quando TODOS os bits forem 0. A operação OR
é uma operação que segue a seguinte tabela verdade:
Na linguagem C, usa-se o operador |
para efetuar uma operação OR entre duas variáveis. Como no seguinte código:
y = x | 129;
printf("x | 129 = %d\n", y);
Este trecho resulta na seguinte impressão:
x | 129 = 173
x
que vale 44
, ou seja 00101100
em binário, está em uma operação de disjução com 129
(10000001
em binário). Ao efetuar uma operação OR
entre 44
e 129
o que na verdade está se fazendo é:
MSB (Most Significant Bit)
x & 67
0 OR 1 => 1
0 OR 0 => 0
1 OR 0 => 1
0 OR 0 => 0
1 OR 0 => 1
1 OR 0 => 1
0 OR 0 => 0
0 OR 1 => 1
LSB (Least Significant Bit)
10101101 binário => 173 decimal
Portanto, uma operação OR
entre 44 & 129
retorna o número 173
, impresso na linha seguinte.
Operação XOR.
A operação XOR
(OU Exclusivo), também chamada de "disjunção exclusiva", é uma operação lógica entre dois operandos que resulta em um valor lógico verdadeiro se, e somente se, exatamente um dos operandos possui valor verdadeiro. Pode ser sintetizado como um detector de diferenças entre dois operandos lógicos. Essa operação segue a seguinte tabela verdade:
A operação XOR é uma maneira interessante de se trocar o valor de duas variáveis sem precisar de uma terceira, como demonstra a excelente resposta dada por Lucas Nunes nesta pergunta.
Na linguagem C, usa-se o operador ^
para efetuar uma operação XOR
entre duas variáveis. Como no seguinte código:
y = x ^167;
printf("x ^167 = %d\n", y);
Que resulta na impressão:
x ^167 = 139
Pois 44 (00101100) XOR 167 (10100111)
:
MSB (Most Significant Bit)
x ^ 167
0 XOR 1 => 1
0 XOR 0 => 0
1 XOR 1 => 0
0 XOR 0 => 0
1 XOR 0 => 1
1 XOR 1 => 0
0 XOR 1 => 1
0 XOR 1 => 1
LSB (Least Significant Bit)
10001011 binário => 139 decimal
Portanto, uma operação XOR
entre 44 & 167
retorna o número 139
, impresso na linha seguinte.
Deslocamento de bits.
Na linguagem C
usa-se os operadores >>
ou <<
para efetuar o deslocamento de bits entre variáveis para direita ou esquerda. O deslocamento de bits, como o nome já diz, é uma técnica de deslocar os bits para uma ou mais casas. Uma característica interessante do deslocamento de bits é que é possível multiplicar ou dividir o valor daquela variável, mas não entrarei detalhes sobre isto nesta resposta.
O deslocamento de bits funciona da seguinte forma, por exemplo, ao se deslocar uma variável x a esquerda:
int x = 1; // 0000 0001
int x0 = (x << 0); // 0000 0001 Não deslocado
int x1 = (x << 1); // 0000 0010
int x2 = (x << 2); // 0000 0100
int x3 = (x << 3); // 0000 1000
int x4 = (x << 4); // 0001 0000
int x5 = (x << 5); // 0010 0000
int x6 = (x << 6); // 0100 0000
int x7 = (x << 7); // 1000 0000
Agora se deslocar a direita:
int x = 128; // 1000 0000
int x0 = (x >> 0); // 1000 0000 Não deslocado
int x1 = (x >> 1); // 0100 0000
int x2 = (x >> 2); // 0010 0000
int x3 = (x >> 3); // 0001 0000
int x4 = (x >> 4); // 0000 1000
int x5 = (x >> 5); // 0000 0100
int x6 = (x >> 6); // 0000 0010
int x7 = (x >> 7); // 0000 0001
Não vou me aprofundar muito nesta técnica, mas recomendo que leia a excelente resposta de Lucas Nunes nesta pergunta, de onde tirei o exemplo acima. Mas no caso do código que você forneceu na sua pergunta, o que acontece é:
y = x << 2;
printf("x <<2 = %d\n", y);
O trecho de código acima imprime:
x <<2 = 176
Pois:
00101100 em binário é 44 em decimal
00101100 << 2
01011000 //Moveu 1 bit a esquerda
10110000 //Moveu 2 bits a esquerda
10110000 em binário => 176 decimal
y = x >> 2;
printf("x >>2 = %d\n", y);
O trecho de código acima imprime:
x >>2 = 11
Pois:
00101100 em binário é 44 em decimal
00101100 >> 2
00010110 //Moveu 1 bit a direita
00001011 //Moveu 2 bits a direita
00001011 em binário => 11 decimal
Aplicações.
Operações com bits são muito utilizadas quando se programa baixo nível. É possível configurar registradores de microcontroladores e fazer otimizações de código, por exemplo. Também são utilizados em algoritmos de criptografia, pois por se tratarem de operações lógicas são menos custosas ao processador. Em eletrônica digital, são utilizadas a todo momento.