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C 語言二進位輸出完整教學｜printf 格式化、位元運算與 C23 %b 指定子

C語言基礎
目次

1. 前言

什麼是二進位？為什麼重要？

二進位是電腦世界中最基本的數值表示方式。透過 0 和 1 的組合，來表現記憶體中的資料或硬體的狀態。在程式設計中，無論是位元操作、狀態管理，或二進位檔案的解析，都經常需要使用二進位。

C 語言是一種被廣泛使用、能撰寫高效程式的語言，但在標準函式庫中並沒有提供直接顯示二進位的格式化方法。本文將從基礎開始，解說在 C 語言中如何輸出二進位，並提供實用的程式碼範例，同時也會介紹最新的 C23 標準。

2. C 語言中的數值輸出基礎 | 十進位・十六進位・八進位

標準格式化指定子的說明

在 C 語言中，可以使用 printf 函式將數值輸出到螢幕。以下是常見的格式化指定子及其用途：

  • %d: 十進位（整數的預設表示方式）
  • %o: 八進位（通常會在前面加上 0）
  • %x / %X: 十六進位（小寫/大寫表示）

例如，下列程式碼會依不同格式輸出數值：

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 42;

    printf("十進位: %d\n", num);
    printf("八進位: %o\n", num);
    printf("十六進位: %x\n", num);

    return 0;
}

輸出結果:

十進位: 42
八進位: 52
十六進位: 2a

為什麼沒有二進位格式化指定子？

C 語言的標準函式庫中，並沒有提供二進位輸出的格式化指定子。原因來自於歷史設計理念。C 語言最初是為了系統程式設計而開發，與其輸出二進位，更重視高效的記憶體操作。

侍エンジニア塾

3. 在 C 語言中輸出二進位的方法（含程式碼範例）

使用位元運算的方法

在 C 語言中，可以透過位元運算來實現二進位的輸出。以下範例示範如何將一個 8 位元整數以二進位表示：

#include <stdio.h>

void printBinary(int num) {
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
        printf("%d", (num >> i) & 1);
    }
    printf("\n");
}

int main() {
    int num = 42;
    printf("二進位: ");
    printBinary(num);

    return 0;
}

輸出結果:

二進位: 00101010

程式碼說明

  • (num >> i): 將 num 右移，把指定的位元移到最低位。
  • & 1: 取出最低位的值。
  • printf: 依序輸出每一個位元。

這種方法簡單且通用，適用於任何整數。

建立通用的自訂函式

若需要更靈活的二進位顯示，可以編寫一個支援任意位元寬度的通用函式：

#include <stdio.h>

void printBinaryGeneric(unsigned int num, int bitWidth) {
    for (int i = bitWidth - 1; i >= 0; i--) {
        printf("%d", (num >> i) & 1);
    }
    printf("\n");
}

int main() {
    int num = 42;
    printf("16 位元的二進位: ");
    printBinaryGeneric(num, 16);

    return 0;
}

輸出結果:

16 位元的二進位: 0000000000101010

實際應用案例

1. 位元旗標管理

透過位元操作，可以在單一變數中管理多個旗標。常見的用途包括：

  • 檢查某個旗標是否為開啟或關閉狀態。
  • 將特定位元設為開啟。
  • 將特定位元設為關閉。

2. 除錯用輸出

在程式除錯時，有時需要直接檢查記憶體內容的二進位表示。在這種情況下，輸出二進位會非常有幫助。

4. C23 標準中的新功能 %b 指定子

%b 指定子的概要

在過去的 C 語言標準中，並沒有提供可直接輸出二進位的格式化指定子。但在 C23 標準中，新增了以下的格式化指定子：

  • %b: 用於輸出二進位數值的格式化指定子。

透過這項功能，開發者不再需要自行撰寫位元操作函式，就能輕鬆輸出二進位。

程式範例：使用 C23 的 %b 指定子輸出二進位

以下是使用 %b 指定子的簡單範例：

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 42;

    printf("二進位: %b\n", num);

    return 0;
}

輸出結果:

二進位: 101010

%b 的特點

  1. 方便性
  • 不需要額外的位元運算或迴圈，直接以簡單程式碼完成。
  1. 可讀性
  • 與其他格式化指定子統一，使程式碼更具可讀性。

編譯器的支援情況

由於 C23 標準仍屬新規範，目前並非所有編譯器都支援 %b。以下是目前的支援狀況：

  • 支援的編譯器
  • GCC: 從版本 12 開始部分支援。
  • Clang: 最新版本已開始支援。
  • 尚未支援的編譯器
  • 較舊版本的 GCC、Clang，或部分專有編譯器。

當環境不支援時的替代方案

若所使用的編譯器尚未支援 C23 的 %b 指定子，可以考慮以下方法：

1. 使用自訂函式

可利用前面介紹的位元運算自訂函式（如 printBinary）。

2. 使用第三方函式庫

某些第三方函式庫提供二進位輸出的功能，例如 glib 等。

3. 建立 C23 支援的環境

安裝支援 C23 的新編譯器環境，並嘗試使用最新標準。

5. 圖解說明二進位表示與位元運算

5.1 二進位轉換流程圖

以下示範十進位轉換為二進位的基本步驟。

範例: 將十進位「42」轉換為二進位

  1. 42 除以 2（記錄商與餘數）
  • 商: 21, 餘數: 0
  1. 21 除以 2
  • 商: 10, 餘數: 1
  1. 10 除以 2
  • 商: 5, 餘數: 0
  1. 5 除以 2
  • 商: 2, 餘數: 1
  1. 2 除以 2
  • 商: 1, 餘數: 0
  1. 1 除以 2
  • 商: 0, 餘數: 1

將餘數反向排列即可得到「101010」，這就是 42 的二進位表示。

圖解: 二進位轉換過程

42 ÷ 2 = 21 ... 0
21 ÷ 2 = 10 ... 1
10 ÷ 2 = 5  ... 0
5  ÷ 2 = 2  ... 1
2  ÷ 2 = 1  ... 0
1  ÷ 2 = 0  ... 1
--------------
二進位: 101010

這個手動轉換過程，其實在程式中也會以類似邏輯實現，有助於理解程式背後的運算。

5.2 位元運算的視覺化說明

位元運算可用來操作數值中的特定位元。以下將以「位移運算」做圖解說明。

右移運算（>>）

右移運算會將數值的位元往右移動。

  • 範例: 將二進位「101010」右移 1 位
  • 原始值: 101010（十進位: 42）
  • 右移後: 010101（十進位: 21）

圖解: 右移的過程

原始值:   101010
右移後:   010101

用途:

  • 計算數值除以 2 的整數結果。
  • 擷取特定位元。

左移運算（<<）

左移運算會將數值的位元往左移動。

  • 範例: 將二進位「101010」左移 1 位
  • 原始值: 101010（十進位: 42）
  • 左移後: 1010100（十進位: 84）

圖解: 左移的過程

原始值:   101010
左移後:   1010100

用途:

  • 將數值乘以 2。
  • 實現快速乘法。

5.3 透過遮罩運算管理位元

在 C 語言中，常透過「遮罩運算（Mask）」來操作特定位元。以下為範例：

範例: 將第 4 個位元設為 1（OR 運算）

  • 原始值: 00001010（十進位: 10）
  • 遮罩: 00010000（僅第 4 位元為 1）
  • 運算結果: 00011010（十進位: 26）

圖解: OR 運算

  00001010  (原始值)
| 00010000  (遮罩)
------------
  00011010  (結果)

用途:

  • 將特定位元設為開啟。
  • 常用於旗標管理。

6. FAQ（常見問題）

Q1: 為什麼 C 語言沒有內建的二進位格式化指定子？

A:
在 C 語言設計初期，效率是最重要的考量。因此標準函式庫提供了十進位、八進位與十六進位的輸出，但二進位因應用場景有限而未被納入。
不過，隨著 C23 標準的推出，新增了 %b 指定子，讓二進位輸出變得更簡單。

Q2: 如果 C23 的 %b 指定子無法使用，該怎麼辦？

A:
若環境尚未支援 C23，可以考慮以下方法：

  1. 自訂函式
    編寫自己的二進位輸出函式（例如 printBinary）。
  2. 安裝支援的編譯器
    安裝新版 GCC 或 Clang，即可使用 C23 功能。
  3. 第三方函式庫
    部分函式庫已提供二進位輸出的工具函式。

Q3: 聽說在 Python 或 Java 中輸出二進位很簡單，是真的嗎？

A:
是的，這兩種語言都內建了二進位輸出的函式：

Python 範例

num = 42
print(bin(num))  # 輸出: 0b101010

Java 範例

int num = 42;
System.out.println(Integer.toBinaryString(num));  // 輸出: 101010

這些語言提供內建支援，而 C 語言則需要透過位元運算或使用 C23 的新功能來實現。

Q4: 為什麼右移運算的結果有時不符合預期？

A:
可能原因如下：

  1. 使用了有號整數
  • 若右移的是有號整數（如 int），可能會保留符號位元（算術右移）。
  • 解決方法：改用無號整數（如 unsigned int）。
  1. 位移超出範圍
  • 若位移數超過資料型態的位元長度（例如 32 位元），結果可能是未定義行為。
  • 請確認位移範圍是否正確。

Q5: 使用 printf 輸出二進位時，位數不足怎麼辦？

A:
這通常是因為沒有固定輸出的位元寬度。建議撰寫能指定輸出長度的函式，例如：

void printBinaryFixed(unsigned int num) {
    for (int i = 15; i >= 0; i--) {
        printf("%d", (num >> i) & 1);
    }
    printf("\n");
}

這樣可確保輸出固定為 16 位元。

Q6: 在實際開發中真的會用到二進位輸出嗎？

A:
會的，尤其在以下情境：

  1. 硬體控制
  • 例如驅動程式需針對暫存器做位元設定。
  1. 二進位資料解析
  • 用於檔案格式或網路協定的分析。
  1. 除錯
  • 檢查旗標或狀態時，二進位輸出非常有幫助。

Q7: 學習位元運算與二進位表示有推薦的資源嗎？

A:
建議參考以下資源：

  • 書籍
  • 《C 程式設計入門》：涵蓋基礎到位元運算。
  • 《C 語言系統程式設計》：著重實務應用。
  • 線上資源
  • GeeksforGeeks: 詳細解說位元運算與二進位。
  • Qiita: 豐富的日文技術文章。

7. 總結

全文總覽

本文介紹了在 C 語言中輸出二進位的方法，從基礎到進階應用皆有涵蓋。以下整理各種方法的比較表：

方法特點優點缺點
透過位元運算的自訂函式自行實作彈性高，可支援任意位元寬度。需額外撰寫程式碼。
C23 標準的 %b 指定子使用標準格式化指定子簡單、可讀性高。必須在支援 C23 的環境下使用。
第三方函式庫使用外部資源節省自行實作的時間。可能產生環境相依性。

給讀者的建議

  • 試著在自己的開發環境中執行文中提供的程式碼範例，透過實作加深對二進位表示與位元運算的理解。
  • 在專案中導入位元操作，例如旗標管理或除錯輸出，體驗其實際應用價值。

未來學習方向

  1. 複習位元運算基礎
  • 加強對位移與邏輯運算（AND、OR）的掌握，以提升程式效率。
  1. 探索 C23 新功能
  • 嘗試使用 C23 的 %b 指定子，掌握最新標準的應用。
  1. 與其他語言比較
  • 觀察 Python、Java 等語言如何處理二進位輸出，對照 C 語言的特性。