本文介绍如何通过纯位运算在常数时间内完成字节级比特分组顺序反转（例如将 10011011 按每2位一组逆序为 11100110），避免分支、查表或中间变量，适用于嵌入式、密码学及高性能数据处理场景。
本文介绍如何通过纯位运算在常数时间内完成字节级比特分组顺序反转（例如将 `10011011` 按每2位一组逆序为 `11100110`），避免分支、查表或中间变量，适用于嵌入式、密码学及高性能数据处理场景。
在底层系统编程与硬件加速场景中，常需对单个字节（8位）内的比特进行结构化重排——典型需求如：将一个字节视为4组2位二进制数（即 b7b6 | b5b4 | b3b2 | b1b0），并将其顺序完全反转为 b1b0 | b3b2 | b5b4 | b7b6。以输入 0b10011011（十六进制 0x9B）为例，按2位分组为 10|01|10|11，逆序后应得 11|10|01|10，即 0b11100110（0xE6）。该操作不同于字节序（endianness）或位序（bit-endianness）的整体翻转，而是固定粒度的分组位置交换，本质是索引映射：原第0–1位 → 新第6–7位，原第2–3位 → 新第4–5位，依此类推。
核心原理：掩码提取 + 精确定位移
无需循环或条件判断，仅用4次按位与（&）提取目标2位段，再配合左/右移将其送至目标位置，最后用按位或（|）合并结果。关键在于设计正确的掩码与位移量：
| 原分组位置 | 掩码（十六进制） | 掩码（二进制） | 提取位 | 目标位置 | 位移方向与位数 |
|---|---|---|---|---|---|
| 最低2位 (b1b0) | 0x03 | 00000011 | b1b0 | 最高2位 | |
| 次低2位 (b3b2) | 0x0C | 00001100 | b3b2 | 次高位 | |
| 次高2位 (b5b4) | 0x30 | 00110000 | b5b4 | 次低位 | >> 2 |
| 最高2位 (b7b6) | 0xC0 | 11000000 | b7b6 | 最低2位 | >> 6 |
对应表达式为：
result = (x & 0x03) << 6 | (x & 0x0C) << 2 | (x & 0x30) >> 2 | (x & 0xC0) >> 6
多语言实现示例
Go（推荐用于系统级开发）
package main
import "fmt"
func reverse2BitGroups(x uint8) uint8 {
return (x&0x03)<<6 | (x&0x0C)<<2 | (x&0x30)>>2 | (x&0xC0)>>6
}
func main() {
x := uint8(0x9B) // 10011011
fmt.Printf("Input: %08b\n", x) // Output: 10011011
fmt.Printf("Output: %08b\n", reverse2BitGroups(x)) // Output: 11100110
}Java（JVM环境高效实现）
public class BitReverse {
public static int reverse2BitGroups(int x) {
return ((x & 0x03) << 6) |
((x & 0x0C) << 2) |
((x & 0x30) >> 2) |
((x & 0xC0) >> 6);
}
public static void main(String[] args) {
int x = 0x9B; // 10011011
System.out.printf("Input: %8s%n", Integer.toBinaryString(x | 0x100).substring(1)); // Pad to 8 bits
System.out.printf("Output: %8s%n", Integer.toBinaryString(reverse2BitGroups(x) | 0x100).substring(1));
}
}注意事项与优化建议
- ✅ 零开销保证：整个计算仅含4次逻辑与、4次移位、3次或运算，现代CPU可在1个指令周期内完成（经编译器优化后常内联为5–7条精简指令）。
- ⚠️ 类型安全：务必使用无符号整型（如 uint8 / byte），避免右移时符号扩展污染高位；Java中虽无uint8，但用 int 并确保输入在 0x00–0xFF 范围即可。
- ? 可扩展性限制：该公式专为8位+2位分组设计。若需支持16位字或4位分组（如 0b10110101 → 0b01011011），需重新推导掩码与位移（例如16位4-bit分组需4组掩码 0x000F, 0x00F0, 0x0F00, 0xF000 及对应移位）。
- ? 极致性能场景：当吞吐量达百万级/秒且CPU缓存友好性至关重要时，可预生成256项查找表（uint8 lut[256]），以空间换时间。但对绝大多数应用，上述位运算已是最优解——无内存访问、无分支预测失败、无函数调用开销。
掌握此技巧，你便拥有了在比特层面精准操控数据结构的底层能力，为实现高效编解码、位图压缩或密码学S盒变换奠定坚实基础。
