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ECMAScript 之 Bitwise Operator

Sam Xiao's Avatar 2019-11-30

有些時候二進位表示法非常好用，如要設定 User 權限是否有 新增、修改、刪除、查詢權限，若每個權限都用二進位的 1 個 bit 表示，0b1111 就表示 4 種權限都有，而 0b1010 則表示只有 新增 與 刪除 權限，以此類推，但這種二進位表示法，該如何在 ECMAScript 使用呢 ?

Version

macOS Catalina 10.15.1
VS Code 1.40.1
Quokka 1.0.261
ECMAScript 2015

Bitwise Operator

  • & : 對 bit 做 AND 運算
  • | : 對 bit 做 OR 運算
  • ~ : 若 bit 做 NOT 運算
  • ^ : 對 bit 做 XOR 運算
  • << : 對 bit 做 SHIFT 運算，如 1 << 2，則相當於 1 向左推兩位，成為 0b100

bit000

所有邏輯的 truth table 如上圖所示。

Mask

ECMAScript 並沒有控制某一個 bit 的語法，若要對某一 bit 做讀寫，主要是靠 mask。

Mask
以二進位表示對某一 bit 的遮罩，如若要對第 2 bit 做處理，其 mask 則為 0b0100
(最右方從 bit 0 開始，非 bit 1)。

Example

設定 user 新增、修改、刪除、查詢 權限，以二進位 4 bit 表示 :

  • 新增 : 以第 3 bit 表示，如 0b1000
  • 修改 : 以第 2 bit 表示，如 0b0100
  • 刪除 : 以第 1 bit 表示，如 0b0010
  • 查詢 : 以第 0 bit 表示，如 0b0001

若 user 只有 新增 與 查詢 權限，則為 0b1001，以此類推。

Read

判斷 user 是否有 修改 權限 ?

白話 : 判斷第 2 bit 是否為 1 ?

let data = 0b0101

let fn = flag => (flag & 0b0100) ? 'Bit 2 is enable' : 'Bit 2 is disable';

fn(data) // ?

(flag & 0b0100) 之後，只有第 2 bit 被 mask 過濾出來，若該 bit 為 1，則過濾後為 0b0100，基於 truthy value，所以 (flag & 0b0100) 為 true。

bit001

let data = 0b0101

let fn = flag => (flag & (1 << 2)) ? 'Bit 2 is enable' : 'Bit 2 is disable';

fn(data) // ?

也可使用 (1 << 2) 動態產生 mask，再與 flag 做 mask。

bit002

無論使用 mask 或 shift operator 寫法都必須了解，實務上兩種都會看到

判斷 user 是否無 修改 權限 ?

白話 : 判斷第 2 bit 是否為 0 ?

let data = 0b0001

let fn = flag => (flag & 0b0100) ? 'Bit 2 is enable' : 'Bit 2 is disable';

fn(data) // ?

(flag & 0b0100) 之後，只有第 2 bit 被 mask 過濾出來，若該 bit 為 0，則過濾後為 0b0000，將 0 做 ! not 之後為 1，基於 truthy value，所以 !(flag & 0b0001) 為 true。

bit003

let data = 0b0001

let fn = flag => (flag & (1 << 2)) ? 'Bit 2 is enable' : 'Bit 2 is disable';

fn(data) // ?

也可使用 (1 << 2) 動態產生 mask，再與 flag 做 mask。

bit004

Write

讓 user 有 修改 權限

白話 : 讓第 2 bit 為 1，且其他 bit 不能被修改

let data = 0b0001

let fn = flag => (flag |= 0b0100).toString(2).padStart(4, '0')

fn(data) // ?

bit005

根據真值表得知，任何值 OR 1，其結果必為 1；任何值 OR 0，其結果不變。

因此 flag 只要與 mask 做 OR 運算，該 bit 一定為 1，其餘 bit 不變。

所以 flag = flag | mask，再簡化成 flag |= mask。

bit006

let data = 0b0001

let fn = flag => (flag |= (1 << 2)).toString(2).padStart(4, '0')

fn(data) // ?

若沒用 mask，也可使用 (1 << 2) 動態產生 mask，再與 flag 做 mask。

bit007

讓 user 無 修改 權限

白話 : 讓第 2 bit 為 0，且其他 bit 不能被修改

let data = 0b0101

let fn = flag => (flag &= ~(0b0100)).toString(2).padStart(4, '0')

fn(data) // ?

bit008

根據真值表得知，任何值 AND 0，其結果必為 0；任何值 AND 1，其結果不變。

因此 flag 只要與 mask 做 AND 運算，該 bit 一定為 1，其餘 bit 不變。

所以 flag = flag &= ~mask，再簡化成 flag &= ~mask。

bit009

let data = 0b0101

let fn = flag => (flag &= ~(1 << 2)).toString(2).padStart(4, '0')

fn(data) // ?

若沒用 mask，也可使用 (1 << 2) 動態產生 mask，再與 flag 做 mask。

bit010

若 user 有修改權限，則改成 無 修改權限，若 無 修改權限，則改成 有 修改權限

白話 : 若第 2 bit 為 0，則 toggle 為 1，若為 1，則 toggle 為 0

let data = 0b0101

let fn = flag => (flag ^= 0b0100).toString(2).padStart(4, '0')

fn(data) // ?

bit012

0 ^ 1 為 0，1 ^ 1 為 0，也就是任何數與 1 XOR，剛好都 toggle 成另外一個值。

0 ^ 0 為0，1 ^ 0 為 0，也就是任何數與 0 XOR，結果都不變。

因此 flag 只要與 mask 做 XOR 運算，該 bit 一定為 toggle，其餘 bit 不變。

bit011

let data = 0b0101

let fn = flag => (flag ^= (1 << 2)).toString(2).padStart(4, '0')

fn(data) // ?

若沒用 mask，也可使用 (1 << 2) 動態產生 mask，再與 flag 做 mask。

bit013

Conclusion

  • 本文雖然使用 ECMAScript 為範例，但 bitwise operator 事實上來自於 C 語言，且眾多語言都有支援
  • 無論使用 mask 或 shift operator 寫法都必須了解，實務上兩種都會看到
  • 這種寫法在 C 語言與 Verilog 經常使用，因為 IC 暫存器為了省空間，都是以二進位方式儲存，因此 firmware 必須使用 bitwise operator 去解析暫存器的資料；在高階語言則較少使用，但因為 ECMAScript 也提供 bitwise operator，所以也可以用這種方式解析二進位資料

# ECMAScript