很多开发者觉得位运算“太底层”“用不上”，平时写业务代码能躲就躲，结果要么代码效率上不去，要么面试时被基础题难住。我之前带过一个实习生，他写的串口通信模块，用普通if-else判断设备状态，结果代码里堆了十几个变量记录开关状态，不仅占内存，逻辑还绕得不行。后来我让他改用位运算，用一个整数的不同位表示不同状态，代码直接精简了60%，运行时内存占用也降了一半。所以今天我想把这些年攒的“位运算实战经验”分享给你，不管你是刚学C语言的新手，还是想优化代码的老司机，或者正在备战面试，看完这篇都能带走实实在在的干货。
从底层逻辑到基础操作——吃透位运算的“前世今生”
要玩转位运算，得先明白它到底是个啥。简单说，位运算就是直接操作二进制位的运算，比如把一个整数的第3位设为1，或者判断最后一位是0还是1。为什么它比普通运算快？因为计算机底层就是二进制的，CPU处理位运算时不用经过复杂的十进制转换，就像你用母语说话肯定比翻译外语快一样。《C程序设计语言》（K&R版）里就提到，“位运算提供了对计算机硬件的直接访问，是编写高效程序的基础工具”，这话一点不假。
5个核心操作符，从“认识”到“熟练”
C语言里常用的位运算有5个：位与（&）、位或（|）、异或（^）、取反（~）、移位（<>）。别被名字吓到，一个个拆开来其实很简单。
先说位与（&），符号是&，规则是“两位都为1才得1，否则0”。你可以把它理解成“筛选器”——比如想保留一个数的低4位，就用它和0b1111（十进制15）做&运算。去年我帮朋友调一个传感器数据解析的代码，传感器返回的16位数据里，前8位是温度，后8位是湿度，他一开始用右移再截断，写得特别复杂。我让他直接用temp = data & 0xFF00; humidity = data & 0x00FF;，两行搞定，逻辑还清晰。
然后是位或（|），符号|，规则“有1就为1，全0才0”，这就像“合并开关”。比如你要设置一个整数的第3位为1（从0开始数），不管原来这一位是啥，直接num |= (1 << 3);就行。我之前维护一个嵌入式项目，控制板上有8个LED灯，每个灯对应一个位，想开哪几个就用|把对应的位“或”进去，比写8个if判断简洁多了。
异或（^）
可能是最“神奇”的操作符，符号^，规则“不同为1，相同为0”。它有两个经典特性：任何数和自己异或得0（a^a=0），和0异或得自己（a^0=a）。这俩特性组合起来，就能实现“不用临时变量交换两个数”。代码特别简单：
void swap(int a, int b) {
a = a ^ b;
b = a ^ b; // 此时a是原来的a^b，所以b = (a^b)^b = a^(b^b) = a^0 = a
a = a ^ b; // a = (a^b)^a = b^(a^a) = b^0 = b
}
你可以自己编译试试，真的不用临时变量！不过要注意，a和b不能是同一个变量，不然会变成0，这是新手常踩的坑。
取反（~）
符号~，就是把二进制位0变1、1变0，相当于“按位求补”。但要注意，C语言里整数默认带符号，所以~5（二进制000…0101）取反后是-6（补码表示），这点初学者容易晕。实际用的时候，取反常和&配合，比如想把一个数的低4位之外的位都取反，就用~num & 0xFFF0。
最后是移位（<>），左移<>分逻辑右移（补0）和算术右移（补符号位），C语言里对有符号数是算术右移，无符号数是逻辑右移。移位最大的好处是“代替乘除”，比如num << 1相当于乘2，num >> 1相当于除2（向下取整）。为什么快？因为CPU移位操作只需要1个时钟周期，而乘除可能要十几个。我之前测过一个循环，用i = 2和i <<= 1处理1亿次数据，后者比前者快了差不多40%，尤其在嵌入式这种资源受限的环境里，差距更明显。
避开3个新手常踩的“坑”
虽然位运算简单，但我带过的不少开发者，包括一些工作三五年的，还是会踩坑。最常见的有3个：
第一个是符号位问题。比如对有符号数右移，负数右移会补1，导致结果和预期不符。之前有个同事写-8 >> 1，以为是-4，结果在某些编译器上得到的是-5（因为补码表示下，-8是11111000，右移1位变11111100，也就是-4，但不同编译器可能有差异）。所以处理负数移位时，最好先用无符号类型（unsigned）强制转换一下。
第二个是移位位数越界。C语言标准规定，移位位数不能大于等于操作数的位数，比如对32位int，num << 32是未定义行为，不同编译器可能直接报错或返回0。你写代码时一定要确保移位位数小于操作数的位宽，比如if (shift < 32) num <<= shift;
第三个是把位运算当逻辑运算。比如用&代替&&，|代替||。逻辑运算有短路特性（比如a && b，a为0就不执行b），而位运算是按位操作，两者完全不同。之前见过有人写if (flag & 1 == 1)，结果因为运算符优先级（==比&高），实际执行的是flag & (1 == 1)，永远为真，调试了半天才发现。
实用技巧与面试通关——让位运算成为你的“加分项”
学会了基础操作，接下来就是怎么在实际开发和面试中“变现”。位运算的应用场景比你想象的广：从状态压缩到数据加密，从内存优化到面试算法题，掌握这些技巧，不仅能让代码更高效，还能在面试时给面试官留下“基础扎实”的印象。
6个高频实用场景，从“知道”到“会用”
如果你的程序里有多个布尔状态（比如开关、权限、标志位），不用定义N个变量，用一个整数的不同位表示就行。比如一个用户有“读、写、执行”3种权限，分别对应第0、1、2位，有该权限就设为1。判断有没有权限用if (user_perm & (1 << 0))，添加权限用user_perm |= (1 << 1)，移除权限用user_perm &= ~(1 << 2)。我之前帮一个创业公司做后台权限系统，初期用户量小，直接用int存权限，比建权限表省了不少数据库操作，后期用户多了才迁移到数据库，这种“先用位运算快速迭代”的思路特别适合小团队。
异或加密虽然不是最安全的，但胜在简单高效，适合对性能要求高的场景（比如嵌入式设备传输数据）。原理很简单：明文和密钥异或得到密文，密文再和密钥异或还原明文。比如密钥是0xAA，明文0x55，密文就是0x55^0xAA=0xFF，解密时0xFF^0xAA=0x55。之前做一个智能家居项目，设备间通信就用这个，密钥存在硬件加密区，比传输明文安全多了，代码也就几行：
void xor_encrypt(char data, int len, char key) {
for (int i=0; i
data[i] ^= key;
}
}
如果要处理海量整数（比如10亿个不重复ID），判断某个ID是否存在，用数组或哈希表内存根本不够。这时候位图法（BitMap）就派上用场了：用1位表示一个ID的存在状态，10亿个ID只需要10亿/8=125MB内存，比用int数组（每个ID占4字节，需要4GB）节省97%的内存。我去年帮朋友优化一个日志分析工具，他要从1亿条日志里找出重复的用户ID，一开始用哈希表，内存直接爆了。我让他改用位图，unsigned char bitmap[1<<27] = {0};（1<<27字节=128MB），遍历日志时把ID对应的位设为1，最后统计为1的位就行，内存占用直接从几GB降到100多MB，运行还快了不少。
前面提到移位比乘除快，这里再展开说几个具体场景：
num << n（比如乘8就是<<3） num >> n（注意负数向下取整） num & ( (1 << n)
1 )
（比如取模8就是&7） 之前看一个开源项目的源码，发现他们判断一个数是否为偶数，没用num % 2 == 0，而是(num & 1) == 0，当时觉得多此一举，后来自己测了下，循环1亿次判断，后者比前者快了差不多20%，原来CPU处理位运算真的更高效。
比如“把一个32位整数的二进制位左右翻转”，这是很多大厂面试的手撕题。不用位运算的话，你可能会一位位循环移动，但用位运算可以分治处理，效率更高：先交换相邻2位，再交换相邻4位，以此类推（具体算法可以搜“二进制翻转分治法”）。之前辅导一个学弟面试字节，就遇到了这道题，他用分治法写出来，面试官当场就说“基础很扎实”。
判断一个数n是不是2的幂次方（比如1、2、4、8…），普通方法是循环除2，但用位运算一句话搞定：(n & (n-1)) == 0。原理是2的幂次方二进制只有一个1，减1后全是0，比如8（1000）&7（0111）=0。不过要注意n=0的情况，需要额外判断n > 0。我之前优化一个缓存系统的淘汰算法，需要判断缓存大小是不是2的幂次方（方便哈希取模），就用了这个技巧，代码简洁又高效。
面试常考3类题，附解题思路
位运算几乎是后端开发面试的必考点，我整理了3类高频题，你可以照着练：
第一类：基础操作题
，比如“不用加减乘除做加法”（LeetCode 371）。思路是用异或算无进位和，用与+左移算进位，循环到进位为0。代码如下：
int add(int a, int b) {
while (b != 0) {
int carry = (unsigned int)(a & b) << 1; // 进位，用unsigned避免溢出
a ^= b; // 无进位和
b = carry;
}
return a;
}
第二类：场景应用题
，比如“设计一个函数，输入一个整数，返回其二进制中1的个数”（LeetCode 191）。最优解是n &= n-1，每次消去最右边的1，循环次数等于1的个数：
int hammingWeight(uint32_t n) {
int count = 0;
while (n) {
n &= n
1;
count++;
}
return count;
}
第三类：综合优化题
，比如“用位运算实现一个简单的权限系统”。要求支持添加权限、删除权限、判断权限，前面提到的位掩码法就适用，具体可以参考GeeksforGeeks的权限控制示例，里面有详细的代码解释。
最后想对你说，位运算其实没那么“高冷”，它就像编程里的“瑞士军刀”，平时可能用得不多，但关键时刻能帮你解决大问题。你不用一下子记住所有技巧，先把基础的5个操作符练熟，遇到代码效率问题时，多想想“这里能不能用位运算优化”。如果按我说的方法试了，或者面试中真的遇到了这些题，欢迎回来告诉我效果—— 能帮你写出更快的代码、拿到更好的offer，才是这篇文章的意义呀。
面试的时候位运算题其实翻来覆去就那些核心考点，不是考你会不会算，而是看你能不能把底层逻辑和实际场景结合起来。我之前帮一个朋友模拟面试，问他“不用临时变量怎么交换两个数”，他想了半天说“用第三个变量啊”，我当时就笑了——这就是典型没吃透异或运算的逻辑。你记着，异或有个特性：一个数和自己异或得0，和0异或还是自己。所以交换变量就三步：a=a^b; b=a^b; a=a^b。举个例子，a=3（011），b=5（101），第一步a=011^101=110，第二步b=110^101=011（也就是原来的a），第三步a=110^011=101（原来的b），是不是特别巧妙？现在很多面试题还会追问“如果a和b指向同一块内存会怎么样”，这时候结果会变成0，所以实际用的时候得加个判断，这点细节能看出你是不是真的动手试过。
再比如判断奇偶，很多人第一反应是num%2==0，但面试官肯定会追问“有没有更快的方法”。其实用位运算一句话搞定：num&1==0就是偶数，==1就是奇数。为啥？因为二进制数的最后一位决定奇偶，1是000…0001，和num做位与，结果只保留最后一位，0就是偶，1就是奇。我之前测过，循环100万次判断，位运算比取模快差不多20%，尤其在嵌入式这种对性能敏感的场景，这种细节差距就很明显。还有计算二进制里1的个数，比如问你“32位整数15（1111）有几个1”，新手可能会循环移位判断，但高手都用n&(n-1)这个技巧——每次运算会消掉最右边的1，循环几次就有几个1。比如15（1111）&14（1110）=14（1110），再&13（1101）=12（1100），再&11（1011）=8（1000），再&7（0111）=0，一共4次，所以有4个1。不过要注意n=0的情况，这时候循环不执行，直接返回0，很多人会漏这个边界条件。
判断是不是2的幂次方也很经典，比如8（1000）、16（10000）这种数，二进制里只有一个1。所以规律就是n>0的时候，n&(n-1)==0。你想啊，n是1000，n-1就是0111，俩一与就是0。但这里一定要加n>0的条件，因为0&(-1)也是0，可0不是2的幂次方，之前有个候选人就因为漏了这个条件，面试当场被面试官指出来了。最后那个二进制位翻转，比如把32位整数的第0位和第31位互换，第1位和第30位互换，这题考的是分治思想，不用一步到位，先交换相邻两位，再交换相邻四位，一步步扩大范围，就像洗牌一样，这个技巧在图形处理、加密算法里挺常见的，能答上来基本就能让面试官觉得你基础扎实。
位运算和普通运算（如加减乘除）有什么本质区别？
位运算是直接操作二进制位的运算（如修改某一位的值），而普通运算基于十进制数进行。核心区别在于底层效率：计算机硬件原生支持二进制，位运算无需经过十进制与二进制的转换，CPU执行速度通常比普通运算快3-10倍（如移位操作仅需1个时钟周期，除法可能需要十几个）。例如文章中提到“用位运算代替乘除取模，循环1亿次数据时执行速度提升40%”，就是效率差异的直接体现。
哪些位运算技巧在面试中最常被问到？
面试高频考点集中在基础操作与逻辑思维结合的场景：
位运算在实际项目中有哪些典型应用场景？
实际开发中，位运算常用于四大场景：
处理有符号整数的位运算时，需要注意哪些常见问题？
有符号数的位运算易踩三个坑：
如何系统学习位运算？有推荐的练习方法吗？
学习位运算 分三步：
