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Bitwise and shift operators

Peponi │ 11/18/2024 │ 7m

C#
SyntaxOperator~&|^<<>>>>>

1. Introduction

Bitwise 및 shift 연산자는 피연산자에 대해 비트 연산을 수행하게 한다. 정수 형식 또는 문자형 (char)에 대해 비트 연산 수행이 가능하다.

정수 형식은 int, uint, long, ulong 형식으로 정의된다. 피연산자가 다른 정수 형식인 (int보다 작은 데이터형) 경우 연산 결과는 int 형식으로 변환된다. 피연산자의 형식이 다른 경우 값을 포함할 수 있는 가장 가까운 형식으로 변환된다.

복합 할당 식의 경우 결과 형식은 왼쪽 피연산자의 형식이다.

2. 비트 연산자

2.1. Complement

~ 연산자는 피연산자의 각 비트를 뒤집어 비트 보수를 반환한다.

int A = 0b_1010_1011;
int B = ~A;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(A, 2).PadLeft(sizeof(int) * 8, '0'));
Console.WriteLine(Convert.ToString(B, 2));
 
/* output:
00000000000000000000000010101011
11111111111111111111111101010100
*/

2.2. AND

& 연산자는 피연산자의 각 비트에 대해 AND 연산을 수행한다.

int A = 0b_1010_1011;
int B = 0b_1101_1101;
int C = A & B;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(C, 2));
 
/* output:
10001001
*/

2.3. OR

| 연산자는 피연산자의 각 비트에 대해 OR 연산을 수행한다.

int A = 0b_1010_1011;
int B = 0b_1101_1101;
int C = A | B;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(C, 2));
 
/* output:
11111111
*/

2.4. XOR

^ 연산자는 피연산자의 각 비트에 대해 XOR 연산을 수행한다.

int A = 0b_1010_1011;
int B = 0b_1101_1101;
int C = A ^ B;          // 0b_0111_0110
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(C, 2));
 
/* output:
1110110
*/

3. 시프트 연산자

3.1. Left shift

<< 연산자는 왼쪽 피연산자를 오른쪽 피연산자로 지정된 시프트 수만큼 왼쪽으로 이동시킨다. 결과 형식의 범위를 벗어나는 상위 비트는 삭제되고, 하위 비트는 자동으로 0으로 설정된다.

byte A = 0b_0001;
int B = A << 8;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(A, 2));
Console.WriteLine(Convert.ToString(B, 2));
 
uint C = 0b_1001_0110_1100_0000_1110_1111_0010_0101;
uint D = C << 8;            // 0b_1100_0000_1110_1111_0010_0101_0000_0000
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(C, 2));
Console.WriteLine(Convert.ToString(D, 2));
 
/* output:
1
100000000
10010110110000001110111100100101
11000000111011110010010100000000
*/

3.2. Right shift

>> 연산자는 왼쪽 피연산자를 오른쪽 피연산자로 지정된 시프트 수만큼 오른쪽으로 이동시킨다.

byte A = 0b_1010_1101;
int B = A >> 3;             // 0b_0001_0101
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(B, 2).PadLeft(8, '0'));
 
/* output:
00010101
*/

결과 형식의 범위를 벗어나는 하위 비트는 삭제되고, 상위 비트는 다음과 같이 결정된다.

  1. Signed type : 왼쪽 피연산자의 최상위 비트 값이 비어있는 상위 비트를 채운다.
    (왼쪽 피연산자가 음수가 아닌 경우 0, 음수인 경우 1로 설정된다.)

    int A = 16;
int B = A >> 3;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(A, 2).PadLeft(sizeof(int) * 8, '0'));
Console.WriteLine(Convert.ToString(B, 2).PadLeft(sizeof(int) * 8, '0'));
 
int C = -16;
int D = C >> 3;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(C, 2));
Console.WriteLine(Convert.ToString(D, 2));
 
/* output:
00000000000000000000000000010000
00000000000000000000000000000010
11111111111111111111111111110000
11111111111111111111111111111110
*/

  2. Unsigned type : 오른쪽 시프트는 논리적 시프트를 수행하며 비어있는 상위 비트는 0으로 채워진다.

    uint A = 0b_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000;
uint B = A >> 3;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(A, 2));
Console.WriteLine(Convert.ToString(B, 2).PadLeft(sizeof(int) * 8, '0'));
 
/* output:
10000000000000000000000000000000
00010000000000000000000000000000
*/

3.2. Unsigned right shift

>>> 연산자는 왼쪽 피연산자를 오른쪽 피연산자로 지정된 시프트 수만큼 오른쪽으로 이동시킨다. >>> 연산자는 항상 논리적 시프트를 수행한다.

int A = 16;
int B = A >>> 3;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(A, 2).PadLeft(sizeof(int) * 8, '0'));
Console.WriteLine(Convert.ToString(B, 2).PadLeft(sizeof(int) * 8, '0'));
 
int C = -16;
int D = C >>> 3;
 
Console.WriteLine(Convert.ToString(C, 2).PadLeft(sizeof(int) * 8, '0'));
Console.WriteLine(Convert.ToString(D, 2).PadLeft(sizeof(int) * 8, '0'));
    
/* output:
00000000000000000000000000010000
00000000000000000000000000000010
11111111111111111111111111110000
00011111111111111111111111111110
*/

IMPORTANT

>>> 연산자는 C# 11부터 사용 가능하다.

3.3. 시프트 수

시프트 연산자의 오른쪽에 지정하는 시프트 수는 왼쪽 피연산자의 형식에 따라 달라진다.

  1. 왼쪽 피연산자의 형식이 int 또는 uint : 오른쪽 피연산자의 하위 5bit으로 정의된다.
    오른쪽 피연산자 & 0b_0001_1111

    int A = 0b_0001;
int shift = 0b_1010_0011;
int shifted = A << shift;
    
Console.WriteLine(Convert.ToString(shifted, 2));
 
/* output:
1000
*/

  2. 왼쪽 피연산자의 형식이 long 또는 ulong : 오른쪽 피연산자의 하위 6bit으로 정의된다.
    오른쪽 피연산자 & 0b_0011_1111

    long A = 0b_0001;
int shift = 0b_1010_0000;
int shift2 = 0b_1010_0011;
long shifted = A << shift;
long shifted2 = A << shift2;
    
Console.WriteLine(Convert.ToString(shifted, 2));
Console.WriteLine(Convert.ToString(shifted2, 2));
 
/* output:
100000000000000000000000000000000
100000000000000000000000000000000000
*/

4. 열거형 논리 연산자

열거형 형식에 대해 ~, &, |, ^ 연산자가 지원되며, 지정 값에 대해 비트 논리 연산이 수행된다. 일반적으로 [Flags] 특성으로 정의된 열거형 형식에 사용한다.

[Flags]
enum StatusCode
{
    None = 0b_0,          // 0
    Idle = 0b_1,             // 1
    Run = 0b_10,          // 2
    Warning = 0b_100,  // 4
    Error = 0b_1000      // 8
}
 
StatusCode code = StatusCode.Idle | StatusCode.Warning | StatusCode.Error;  // 13
 
Console.WriteLine(code);    // Idle, Warning, Error

자세한 내용은 Enum type - 4. enum 비트 플래그를 참조한다.

5. 참조 자료