今となっては、もうあまり使われることがなくなったビット演算子、低級言語に於いてはきっとポインタと同等程度に基本的かつ重要な演算子だったと思います。
高級言語しか使ったことのないプログラマの中には、ビット演算子について全く知らない人の方が多くなったんじゃないでしょうか？
そこで、ビット演算子とその便利な使い方についてまとめてみます。
ビット演算子とは？
ビット演算子の便利な使い方！
・and
・xor
論理演算子の便利な使い方！
ビット演算子とは？
あるデータを２進数表記した際の各データをビットと呼び、そのビットに対して作用する演算子のことをビット演算子といいます。
よくわかりませんよね？
具体的に説明します。
まず、ビット演算子には、「or」「and」「xor」「シフト」が存在します。
それぞれ、「|」「&」[^]「>> または <<」と表記します。
「or」「and」「xor」は二項演算子、「シフト」は単項演算子になります。
ここで、二進数表記で
変数A＝１００１００１１１００１１００（１０進数だと18892）
変数B＝００１１０１１１０１１１０１１（１０進数だと7099）
という変数についてビット演算子がどのように作用するのかをみていきます。
ビット演算子「or」
orは各ビットについて、どちらかが「１」なら「１」、それ以外は「０」を返す演算子です。
変数A | 変数B をすると、 10進表記
１００１００１１１００１１００ 18892
| ) ００１１０１１１０１１１０１１ 7099
-------------------------------------------
１０１１０１１１１１１１１１１ 23551
となります。
同じ位にある各ビットを比較し、どちらかが「１」であれば、そのくらいを「１」としたものが結果になります。
ビット演算子「and」
andは各ビットについて、両方「１」なら「１」それ以外は「０」を返す演算子です。
変数A & 変数B をすると、 10進表記
１００１００１１１００１１００ 18892
& ) ００１１０１１１０１１１０１１ 7099
-------------------------------------------
０００１００１１０００１０００ 2440
となります。
同じ位にある各ビットを比較し、両方が「１」であれば、そのくらいを「１」としたものが結果になります。
ビット演算子「xor」
xorは各ビットについて、片方が「１」もう片方が「０」の組み合わせのときに「１」、それ以外つまり両方「１」または両方「０」であれば「０」を返す演算子です。
変数A ^ 変数B をすると、 10進表記
１００１００１１１００１１００ 18892
^ ) ００１１０１１１０１１１０１１ 7099
-------------------------------------------
１０１００１００１１１０１１１ 21111
となります。
ビット演算子「シフト」
シフト演算子はビット配列をずらす演算子です。
>> 変数A １００１００１１１００１１００ → ０１００１００１１１００１１０
となります。
<< 変数A １００１００１１１００１１００ → ００１００１１１００１１０００
となります。
ただし、シフトにはいくつか種類があり、ずらした際に空くビット位置に何を入れるか？（上記例では０埋めしています）が変わってきます。
ビット演算子の便利な使い方！
ビット演算子は上記で示したとおりですが、この中で、「and」と「xor」には面白い使い方があります。
・and演算子
これは、マスクやフィルタとして使用されることがあります。有名な例では、ネットマスクがあります（ネットマスクについて、ここでは解説を割愛します。リンク先をご覧ください）。
and演算子は両方のビットが「１」のときに「１」を返すため、特定の位置にあるビットが「１」かどうかを用意に抜き出すことができるのです。
これを利用すると、
例）いくつかの機能があって、ユーザー毎に使用できる機能が違うとき、ユーザーが使用できる機能を調べる。
といったことを実現する際に、
機能１の機能番号→１ 機能２の機能番号→２ 機能３の機能番号→４ 機能４の機能番号→８
と２の階乗に当たる数値を機能を設定し、ユーザーにそのユーザーが使用できる機能について、上記の足し算の値を持たせます。
機能１と機能３が使えるユーザーなら、５（これをユーザーの機能番号とする）を持たせます。すると、
５＆１＝１ ５＆２＝０ ５＆４＝４ ５＆８＝０
となるので、
ユーザーの機能番号＆機能番号！＝０ならその機能は使用可能！と判断することが出来ます。
このような使い方を一般にビットマスクと呼んでます。このビットマスクは上記例以外にも様々な場面で応用が利き、またビット演算は速度が速いので、上手くロジックに組み込むとシンプルで可読性が高く軽いプログラムを作成することが出来ます。
・xor演算子
xor演算子の面白い特徴は、２回xorすると元に戻ることです。これによって、簡易な暗号化に使用されることがあります。
先ほどの変数Aと変数Bのxorを見てみます。
１００１００１１１００１１００
^ ) ００１１０１１１０１１１０１１
-----------------------------------
１０１００１００１１１０１１１
これにもう一度変数Bをxorしてみます。
１０１００１００１１１０１１１
^ ) ００１１０１１１０１１１０１１
-----------------------------------
１００１００１１１００１１００
変数Aに戻っていることがわかります。これを利用すると、変数Bを秘密の値として考えることで、簡易な可逆暗号が出来ています。
暗号というには貧弱すぎるため一般にはこのままでは使用されませんが、少し工夫して暗号化強度を高めることで簡易暗号として実際に使用することはあります。
滅多に使うことはない技術ですが、知っておく方がいい知識です。
最後に、論理演算子の便利な使い方！
これは使いどころが難しく、多用しすぎるとコードの可読性を損なう恐れもあります。また、よく使われているのはシェルスクリプトくらいであり、言語によっては下記の記述ができないものもあります。
論理演算子は「AND」「OR」があります。それぞれ「&&」「||」で表現します。
ビット演算子と似ていますが、全くの別物です。
論理演算子はよく使っていると思います。が、あまり知られていない挙動があります。それは、論理演算子は不要な判定はしないことです。
条件１ && 条件２ とした場合、
条件１が偽であれば、プログラムは条件２を判定しないのです。
それは、条件１が偽であれば全体が偽であることが保障されるからです。
また、
条件１ || 条件２ とした場合で、
条件１が真であれば、これも条件２は判定されません。
この特性により
条件１ && 処理１ || 処理２
と記載すると、条件１が真のとき、処理１が実行され、条件１が偽のとき、処理２が実行されます。つまり、
if ( 条件１ ) {
処理１
} else {
処理２
}
が一行で書けてしまうのです。
シェルスクリプトの場合、「ディレクトリの存在をチェックし、ディレクトリがあればそこに移動、なければエラーメッセージを表示する。」というプログラムを
[ -d ./hogehoge ] && cd ./hogehoge || echo "./hogehogeが存在しません。"
と記述できます。
また、if文の置き換え的な使い方は状況や要件が限られますが、このような記述が出来る理由である論理演算子の特性－「不要な評価はしない」はよく理解し、その特性を考えてif文の条件式を書くようにすると、プログラム速度の向上が見込めます。
