C# ビット演算子の基礎

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2024年9月8日

C#プログラミングを学んでいる方の中には、「ビット演算子って何？」「どんな時に使うの？」と疑問に思っている人も多いでしょう。この記事では、C#のビット演算子について、その基本的な概念から実際の使用例まで、初心者の方にも分かりやすく解説していきます。

ビット演算子とは

ビット演算子は、整数型のデータをビットレベル（2進数）で操作するための演算子です。C#では主に以下のビット演算子が提供されています：

AND演算子 (&)
OR演算子 (|)
XOR演算子 (^)
NOT演算子 (~)
左シフト演算子 (<<)
右シフト演算子 (>>)

これらの演算子を使うことで、データの圧縮、フラグの管理、高速な計算など、様々な場面で効率的なプログラミングが可能になります。

基本的なビット演算子の使い方

まずは、AND、OR、XOR、NOTの基本的な使い方を見てみましょう。

using System;

class BitwiseOperatorsExample
{
    static void Main()
    {
        int a = 5;  // 2進数: 0101
        int b = 3;  // 2進数: 0011

        // AND演算子
        int resultAnd = a & b;
        Console.WriteLine($"AND: {a} & {b} = {resultAnd}");  // 出力: 1

        // OR演算子
        int resultOr = a | b;
        Console.WriteLine($"OR: {a} | {b} = {resultOr}");   // 出力: 7

        // XOR演算子
        int resultXor = a ^ b;
        Console.WriteLine($"XOR: {a} ^ {b} = {resultXor}");  // 出力: 6

        // NOT演算子
        int resultNot = ~a;
        Console.WriteLine($"NOT: ~{a} = {resultNot}");  // 出力: -6
    }
}

この例では、5（0101）と3（0011）に対してビット演算を行っています。

AND演算子(&)は、両方のビットが1の場合にのみ1を返します。
OR演算子(|)は、どちらかのビットが1の場合に1を返します。
XOR演算子(^)は、ビットが異なる場合に1を返します。
NOT演算子(~)は、各ビットを反転させます。

シフト演算子の使い方

次に、左シフトと右シフト演算子の使い方を見てみましょう。

using System;

class ShiftOperatorsExample
{
    static void Main()
    {
        int num = 8;  // 2進数: 1000

        // 左シフト
        int leftShift = num << 2;
        Console.WriteLine($"左シフト: {num} << 2 = {leftShift}");  // 出力: 32

        // 右シフト
        int rightShift = num >> 1;
        Console.WriteLine($"右シフト: {num} >> 1 = {rightShift}");  // 出力: 4
    }
}

左シフト演算子(<<)は、ビットを左に指定した数だけシフトします。これは、2をべき乗した数を掛けることと同じです。
右シフト演算子(>>)は、ビットを右に指定した数だけシフトします。これは、2をべき乗した数で割ることと同じです。

ビット演算子の実用例

ビット演算子は、フラグの管理や高速な計算など、様々な場面で活用できます。以下に、フラグ管理の例を示します。

using System;

class FlagExample
{
    [Flags]
    enum Permissions
    {
        None = 0,
        Read = 1,
        Write = 2,
        Execute = 4
    }

    static void Main()
    {
        Permissions userPermissions = Permissions.Read | Permissions.Write;

        Console.WriteLine($"ユーザー権限: {userPermissions}");

        // 実行権限のチェック
        if ((userPermissions & Permissions.Execute) == Permissions.Execute)
        {
            Console.WriteLine("実行権限があります。");
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("実行権限がありません。");
        }

        // 書き込み権限の追加
        userPermissions |= Permissions.Execute;
        Console.WriteLine($"更新後の権限: {userPermissions}");
    }
}

この例では、ビット演算子を使って権限のフラグを管理しています。OR演算子(|)でフラグを追加し、AND演算子(&)でフラグの存在をチェックしています。