入門 ビット演算 Akatsuki Geek Live 2022 Vol.1 2022/02/24 task

$ whoami 　 Takashi Mima (task4233) 👀 バックエンドとセキュリティ 　 散歩とGo 　 task4233.dev 　 最近は何故かJavaばかり書いてます 2

「入門 ビット演算」の目的 ビット演算の初学者に対して、 ・ビット演算とは何なのか ・ビット演算の利用例 ・ビット演算のメリットとデメリット を提示すること 補足 ・使い慣れている方はコメントやマサカリをお願いします 󰢛 ・説明には C++11 における演算子を用います 3

コンピュータはデータをビットの集合で表している ビット(0 or 1) ・0 と 1 の2通りの状態を表現できるデータの単位 ・電圧の高低などで管理される 例 ・単精度浮動小数点数(IEEE 754)は32ビットで1つの数値 ・ASCIIコードは7ビットで1文字 ・整数は利用ビット数に応じて範囲が変化する 4

ビット単位で行う演算がビット演算 演算子 説明 ~ (NOT) 値を反転する & (AND) 両方のビットが1ならば1、そうでなければ0 | (OR) どちらか一方が1なら1、そうでなければ0 ^ (XOR) どちらか一方のみが1なら1、そうでなければ0 << (左シフト) 指定した数だけビット列を左にずらす >> (右シフト) 指定した数だけビット列を右にずらす 5

ビット演算の利用例 組み込み・ゲームプログラミングでの状態管理 ・条件を満たしている(いない)を簡潔に表現できる ・bool で宣言するよりもメモリが節約できることがある →詳しくは こちら 集合の表現 ・組み合わせを列挙できる ・ネットワークのサブネットマスクとしても利用されている →詳しくは こちら 6

ビット演算のメリットとデメリット メリット ・利用するデータ領域を削減できることがある ・実行する機械語命令が少ないので高速になることがある デメリット ・可読性が落ちる可能性がある ・意図しない挙動が起きる可能性がある 7

ビット演算のメリットとデメリット メリット ・利用するデータ領域を削減できることがある ・実行する機械語命令が少ないので高速になることがある デメリット ・可読性が落ちる可能性がある →コメントを書くことによって「なぜ」を提示する ・意図しない挙動が起きる可能性がある →ユニットテストで振る舞いを保証する 8

まとめ ビット演算は ・利用するデータ領域を削減できることがある ・実行する機械語命令が少ないので高速になることがある ただし ・意図を書かないと可読性が落ちる可能性がある ・意図しない挙動が起きる可能性がある メリット、デメリットを吟味して 使ってみてください！ ありがとうございました！ 9

時間が余ったらやる小ネタ 10

2変数のみでのSwap void swap(int *a, int *b) { int tmp = *a; *a = *b; *b = tmp; } 1 void swap(int *a, int *b) { *a ^= *b; *b ^= *a; *a ^= *b; }

偶数ビットと奇数ビットのSwap ・各自のビットを抜き出してORでくっつけるイメージ int32_t swap_odd_and_even_bits(int32_t val) { return ((val & 0xaaaaaaaa) >> 1) | ((val & 0x55555555) << 1); } 1

マイナスを使わずに符号反転 ・詳しくは2の補数でググろう void inverse_sign(int *val) { *val = ~*val | 1; } 1

利用されるメモリ 意外とバイト数を無駄に利用していることがある ・bool は 1Byte ・std::bitset は 環境依存 ・boolに4バイトも利用している言語もある 1