047.bitIntrinsics_整数位操作内在函数

整数位操作内在函数把整数视为按位置编号的二进制位序列，可以组合、测试或修改其中的位。它们常用于用一个整数保存多个开关状态，适合在权限掩码、设备状态字、通信协议字段等需要紧凑编码布尔状态的情况中使用，并可与逻辑判断结合处理某一状态位。

位位置与运算

Fortran从0开始对位编号，位置0是最右侧的最低位，位置依次向左增加。位置参数必须满足$0\le pos<\operatorname{bit\_size}(i)$。

combined = iand(i, j)
combined = ior(i, j)
combined = ieor(i, j)
isSet = btest(i, pos)
newValue = ibset(i, pos)
newValue = ibclr(i, pos)
width = bit_size(i)

• iand仅在两个对应位都是1时产生1；ior在至少一个对应位是1时产生1；ieor在两个对应位不同时产生1。
• btest测试指定位并返回逻辑值；ibset和ibclr返回设置或清除该位后的新整数，不会修改参数本身。
• bit_size查询参数所属整数种类的位模型宽度，不是当前数值实际用了多少位。
• 示例使用B4.4编辑描述符显示低四位二进制形式，便于把十进制结果与逐位运算对应起来。

本文代码

! 位操作内在函数把整数作为状态位集合处理。
program bitIntrinsicsDemo
  implicit none
  integer :: maskA, maskB

  maskA = 6
  maskB = 3

  print "(A,I2,2X,B4.4)", "maskA：", maskA, maskA
  print "(A,I2,2X,B4.4)", "maskB：", maskB, maskB
  print "(A,I2,2X,B4.4)", "IAND ：", iand(maskA, maskB), iand(maskA, maskB)
  print "(A,I2,2X,B4.4)", "IOR  ：", ior(maskA, maskB), ior(maskA, maskB)
  print "(A,I2,2X,B4.4)", "IEOR ：", ieor(maskA, maskB), ieor(maskA, maskB)
  print "(A,L1)", "BTEST(maskA,1)：", btest(maskA, 1)
  print "(A,I2,2X,B4.4)", "IBSET(maskB,2)：", ibset(maskB, 2), ibset(maskB, 2)
  print "(A,I2,2X,B4.4)", "IBCLR(maskA,1)：", ibclr(maskA, 1), ibclr(maskA, 1)
  print "(A,I0)", "默认整数位数：", bit_size(maskA)
end program bitIntrinsicsDemo

编译运行

(base) hong@hongdeMacBook-Pro 047.bitIntrinsics % gfortran -Wall -Wextra -std=f2018 exampleBitIntrinsics.f90
(base) hong@hongdeMacBook-Pro 047.bitIntrinsics % ./a.out
maskA： 6  0110
maskB： 3  0011
IAND ： 2  0010
IOR  ： 7  0111
IEOR ： 5  0101
BTEST(maskA,1)：T
IBSET(maskB,2)： 7  0111
IBCLR(maskA,1)： 4  0100
默认整数位数：32

现象分析

maskA=6的低四位是0110，maskB=3的低四位是0011。按位与、或、异或从相同位置逐列计算：

         bit3 bit2 bit1 bit0
maskA      0    1    1    0
maskB      0    0    1    1
IAND       0    0    1    0  = 2
IOR        0    1    1    1  = 7
IEOR       0    1    0    1  = 5

iand只保留两者都为1的bit 1，所以结果0010等于2；ior保留任一参数中的1，得到0111即7；ieor只保留不同的位，bit 2与bit 0不同，得到0101即5。

btest(maskA,1)检查0110从右向左编号为1的位，该位是1，因此返回.true.并显示为T。它只读取该位，不产生新的掩码。

ibset(maskB,2)把0011的bit 2设为1，得到0111，即4+2+1=7。ibclr(maskA,1)把0110的bit 1清为0，得到0100，即4。原来的maskA和maskB仍分别是6和3，因为函数返回的是新值。

本机默认整数的bit_size为32，所以有效位置是0到31。数值6只需低三位表示，但bit_size(6)查询的是默认整数种类的位宽，结果仍为32；其他编译环境或整数种类可能具有不同位宽。

核心知识点

• Fortran位位置从0开始，位置0是最低位；位置参数必须落在整数种类的有效位范围内。
• iand、ior和ieor逐位产生整数结果，规则分别是“都为1”“至少一个为1”“两者不同”。
• btest返回逻辑值；ibset和ibclr返回修改后的新整数。
• bit_size描述整数种类的位模型宽度，不描述某个正整数当前需要的最少位数。