18. 비트 연산자

1. 키워드

비트 연산자
플래그(Flag)

2. 비트 연산자 사용하기

지금까지 자료형을 바이트 단위로 구분하여 사용했다.
비트 연산자는 바이트 단위보다 더 작은 비트 단위로 연산하는 연산자이다.

1] 비트(Bit)

2진수를 저장하는 단위이다.
컴퓨터에서 사용할 수 있는 최소 단위이며 0과 1을 나타낸다.

2] 바이트(Byte)

8비트 크기의 단위이다.

다음은 비트 연산자의 종류이다.

비트 연산자는 비트로 옵션을 설정할 때 주로 사용하며 저장 공간을 아낄 수 있는 장점이 있다.
특히 이런 방식을 플래그라고 부른다.

3. 비트 AND, OR, XOR 연산자 사용하기

이제 비트 연산자를 사용하여 값을 계산해 보자.

#include <stdio.h>

int main()
{
    unsigned char num1 = 1; // 0000 0001
    unsigned char num2 = 3; // 0000 0011

    printf("%d\n", num1 & num2); // 0000 0001: 01과 11을 비트 AND하면 01이 됨
    printf("%d\n", num1 | num2); // 0000 0011: 01과 11을 비트 OR하면 11이 됨
    printf("%d\n", num1 ^ num2); // 0000 0010: 01과 11을 비트 XOR하면 10이 됨

    return 0;
}

// 1
// 3
// 2

각 줄에 해당 값의 10진수와 2진수(비트)를 적어놓았다.
unsigned char 타입에 1을 할당했을 때 비트로 표현하면 0000 0001이다.
마찬가지로 3은 0000 0011이다.
비트 연산은 두 값을 비트 단위로 나열한 뒤 각 자릿수를 비트 연산자로 연산한다.
각 자릿수의 연산은 독립적이며 다른 자릿수에 영향을 주지 않는다.
그리고 비트 단위로 연산한 각 자릿수를 모두 모으면 최종 결과가 된다.

& 연산자는 비트 AND이므로 두 비트가 모두 1일 때 1이다.
따라서 하나라도 0이면 0이 나온다.
즉, 0000 0001과 0000 0011을 비트 AND 연산했을 때 0 & 1은 0 그리고 1 & 1은 1이 나오므로 0000 0001이 된다.
10진수로 표현하면 1 & 3은 1이 된다.

다음은 120 & 26 연산이다.

0111 1000(120)
0001 1010(26)
_________ &
0001 1000(24)

0001 1000이 나오므로 10진수로 24가 된다.

| 연산자는 비트 OR이므로 두 비트 중 하나만 1이라도 1이다.
따라서 두 비트가 모두 0일 때만 0이다.
즉, 0000 0001과 0000 0011을 비트 OR 연산했을 때 0 | 1은 1 그리고 1 | 1은 1이 나오므로 0000 0011이 된다.
10진수로 표현하면 1 | 3은 3이다.

0000 0001(1)
0000 0011(3)
_________ |
0000 0011(3)

^ 연산자는 비트 XOR이므로 두 비트가 다를 때 1이다.
따라서 1과 1일 때, 0과 0일 때는 모두 0이다.
즉, 0000 0001과 0000 0011을 비트 XOR 연산했을 때 0 ^ 1은 1 그리고 1 ^ 1은 0이 나오므로 0000 0010이 된다.
10진수로 표현하면 1 ^ 3은 2이다.

0000 0001(1)
0000 0011(3)
_________ ^
0000 0010(2)

4. 비트 NOT 연산자 사용하기

이번에는 ~ 연산자를 사용해 보자.

#include <stdio.h>

int main()
{
    unsigned char num1 = 162; // 162: 1010 0010
    unsigned char num2;

    num2 = ~num1;

    printf("%u\n", num2); // 0101 1101: num1의 비트 값을 뒤집음

    return 0;
}

// 93

~ 연산자는 비트 NOT 연산자이다.
간단하게 0은 1로 1은 0으로 바꾸며 "비트를 뒤집는다" 또는 "비트 반전"이라고 말한다.
1010 0010의 각 비트를 뒤집으면 0101 1101이 되고, 10진수로 93이다.
즉, ~162는 93이다.

1010 0010(162)
_________ ~
0101 1101(93)

unsigned char 자료형을 사용하는 이유는?

unsigned char는 부호 없는 정수이며 1바이트 크기이다.
비트 연산으로 인해 부호 비트가 영향을 받지 않도록 부호 없는 자료형을 사용했다.

5. 시프트 연산자 사용하기

C에서 비트의 논리 연산뿐만 아니라 각 자리를 이동시킬 수도 있다.
이번에는 비트의 자리를 이동시켜 보자.

#include <stdio.h>

int main()
{
    unsigned char num1 = 3;  //  3: 0000 0011
    unsigned char num2 = 24; // 24: 0001 1000

    printf("%u\n", num1 << 3); // 0001 1000: num1의 비트 값을 왼쪽으로 3번 이동
    printf("%u\n", num2 >> 2); // 0000 0110: num2의 비트 값을 오른쪽으로 2번 이동

    return 0;
}

// 24
// 6

시프트 연산자를 사용하여 각 변수의 비트를 지정한 횟수대로 이동했다.

다음은 시프트 연산을 하는 방법이며 << 연산자를 예로 들었다.

시프트 연산은 변수 << 이동할 비트 수 또는 변수 >> 이동할 비트 수 형식으로 사용한다.
즉, 지정한 횟수대로 비트를 이동시키며 모자라는 공간은 0으로 채운다.
연산자 모양 그대로 <<는 왼쪽, >>는 오른쪽 방향이다.

num1 << 3은 0000 0011을 왼쪽으로 3번 이동하므로 0001 1000이 되고, 10진수로 24이다.

0000 0011(3)
_________ << 3
0001 1000(24)

num2 >> 2는 0001 1000이 오른쪽으로 2번 이동하므로 0000 0110이 되고, 10진수로 6이다.

0001 1000(24)
_________ >> 2
0000 0110(6)

3 << 3은 \(3 * 2^3\)과 같으므로 24가 되고, 24 >> 2는 \(24 / 2^2\)과 같으므로 6이 된다.
즉, 시프트 연산 <<은 2의 거듭제곱을 곱하기, >>은 2의 거듭제곱을 나누기이다.

6. 비트 연산 후 할당하기

이번에는 비트 연산자와 할당 연산자를 함께 사용해 보자.

#include <stdio.h>

int main()
{
    unsigned char num1 = 4; // 4: 0000 0100
    unsigned char num2 = 4; // 4: 0000 0100
    unsigned char num3 = 4; // 4: 0000 0100
    unsigned char num4 = 4; // 4: 0000 0100
    unsigned char num5 = 4; // 4: 0000 0100

    num1 &= 5;  // 5(0000 0101) AND 연산 후 할당
    num2 |= 2;  // 2(0000 0010) OR 연산 후 할당
    num3 ^= 3;  // 3(0000 0011) XOR 연산 후 할당
    num4 <<= 2; // 비트를 왼쪽으로 2번 이동한 후 할당
    num5 >>= 2; // 비트를 오른쪽으로 2번 이동한 후 할당

    printf("%u\n", num1); // 0000 0100: 100과 101을 비트 AND하면 100이 됨
    printf("%u\n", num2); // 0000 0110: 100과 010을 비트 OR하면 110이 됨
    printf("%u\n", num3); // 0000 0111: 100과 011을 비트 XOR하면 111이 됨
    printf("%u\n", num4); // 0001 0000: 100을 왼쪽으로 2번 이동하면 10000이 됨
    printf("%u\n", num5); // 0000 0001: 100을 오른쪽으로 2번 이동하면 1이 됨

    return 0;
}

// 4
// 6
// 7
// 16
// 1

각 자리별로 10진수와 2진수를 적어놓았다.
&=는 다른 값과 비트 AND 연산을 한 뒤 다시 자기 자신에게 할당한다는 뜻이다.
다른 연산자도 마찬가지로 해당 연산을 수행한 뒤 다시 자기 자신에게 할당한다.
여기서는 각 변수에 4가 들어있다.

num1 &= 5는 0000 0100과 0000 0101을 비트 AND 연산했을 때 1 & 1은 1, 0 & 0은 0, 0 & 1은 0이 나오고 이 값을 다시 할당해서 0000 0100이 된다.

0000 0100(4)
0000 0101(5)
_________ &
0000 0100(4)

num2 |= 2는 0000 0100과 0000 0010을 비트 OR 연산했을 때 1 | 0은 1, 0 | 1은 1, 0 | 0은 0이 나오고 이 값을 다시 할당해서 0000 0110이 된다.

0000 0100(4)
0000 0010(2)
_________ |
0000 0110(6)

num3 ^= 3은 0000 0100과 0000 0011을 비트 XOR 연산했을 때 1 ^ 0은 1, 0 ^ 1은 1, 0 ^ 1은 1이 나오고 이 값을 다시 할당해서 0000 0111이 된다.

0000 0100(4)
0000 0011(3)
_________ ^
0000 0111(7)

num4 <<= 2는 0000 0100을 왼쪽으로 2번 이동한 뒤 다시 할당하여 0001 0000이 된다.

0000 0100(4)
_________ << 2
0001 0000(16)

num5 >>= 2는 0000 0100을 오른쪽으로 2번 이동한 뒤 다시 할당하여 0000 0001이 된다.

0000 0100(4)
_________ >> 2
0000 0001(1)

즉, 기존에 들어있던 값은 사라지고 새로 연산한 값이 할당된다.

이 연산을 풀어보면 다음과 같다.

num1 = num1 & 5; // 5(0000 0101) AND 연산 후 할당
num2 = num2 | 2; // 2(0000 0010) OR 연산 후 할당
num3 = num3 ^ 3; // 3(0000 0011) XOR 연산 후 할당
num4 = num4 << 2; // 비트를 왼쪽으로 2번 이동한 후 할당
num5 = num5 >> 2; // 비트를 오른쪽으로 2번 이동한 후 할당

출력 결과는 앞의 연산 결과와 같다.
즉, &=, |=, ^=, <<=, >>= 연산자는 반복되는 변수 부분을 생략하기 위해 사용한다.
특히, 비트 연산에서 연산과 할당이 한꺼번에 이루어지는 연산자는 플래그를 켜거나 끌 때 유용하게 활용된다.

18. 비트 연산자

1. 키워드

2. 비트 연산자 사용하기

3. 비트 AND, OR, XOR 연산자 사용하기

4. 비트 NOT 연산자 사용하기

5. 시프트 연산자 사용하기

6. 비트 연산 후 할당하기

References