최우영

Junior Technical Artist / 3d WEEABOO This blog use personal issue only.

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비트 단위 연산자(Bitwise Operator)는 컴퓨터에서 비트(bit) 단위로 데이터를 처리할 때 사용되는 연산자입니다.

비트는 컴퓨터에서 정보의 최소 단위이며, ${2}$진수이기 때문에 ${0}$ 또는 ${1}$의 값을 가집니다.

이러한 비트를 조작하는 연산을 비트 연산이라고 합니다. 대표적으로 다음과 같은 비트 연산자가 있습니다.

비트 단위 연산자의 종류

AND (&)

두 개의 비트가 모두 ${1}$일 경우 ${1}$을 반환하고, 그 외의 경우에는 ${0}$을 반환합니다.

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class BitwiseOperator : MonoBehaviour
{
    int n = new();
    void Start()
    {
        n = 5 & 3;
        Debug.Log(n);
        // 5(101), 3(011)을 AND 연산하여 1(001)을 반환합니다.
        // 따라서 n는 1이 됩니다.
    }
}

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OR (${\mid}$)

두 개의 비트 중 하나 이상이 ${1}$일 경우 ${1}$을 반환하고, 그 외의 경우에는 ${0}$을 반환합니다.

n = 5 | 3;
// 5(101), 3(011)을 OR 연산하여 7(111)을 반환합니다.
// 따라서 n는 7이 됩니다.

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XOR (^)

두 개의 비트가 서로 다른 경우 ${1}$을 반환하고, 그 외의 경우에는 ${0}$을 반환합니다.

n = 5 ^ 3;
// 5(101), 3(011)을 XOR 연산하여 6(110)을 반환합니다.
// 따라서 n는 6이 됩니다.

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NOT (~)

비트를 반전시키는 연산자입니다. ${1}$은 ${0}$으로, ${0}$은 ${1}$로 바꿉니다.

이 연산자는 부호 비트도 반전시켜 양수를 음수로, 음수를 양수로 만듭니다.

음수부를 가지고 있지 않은 자료형에서는 당연히 음수가 되지 않습니다.

n = ~5;
// 5(101)의 비트를 반전시켜 -6(111...1010)을 반환합니다.
// 따라서 n는 -6이 됩니다.

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Shift («, »)

비트를 왼쪽이나 오른쪽으로 이동시키는 연산자입니다.

이 연산자는 주로 ${2}$의 거듭제곱 수를 곱하거나 나눌 때 사용됩니다.

이동한 오른쪽 비트는 ${0}$으로 채워지며, 왼쪽 끝 비트는 잘리게 됩니다.

n = 5 << 2;
// 5(101)의 비트를 왼쪽으로 2칸 이동시켜 20(10100)을 반환합니다.
// 따라서 n는 20이 됩니다.

5

이동한 왼쪽 비트는 ${0}$으로 채워지며, 오른쪽 끝 비트는 잘리게 됩니다.

n = 5 >> 1;
// 5(101)의 비트를 오른쪽으로 1칸 이동시켜 2(10)를 반환합니다.
// 따라서 n는 2가 됩니다.

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이러한 비트 연산자를 응용하면 같은 기능을 수행하더라도 메모리를 훨씬 더 절약할 수 있습니다.

메모리의 최소 크기 단위는 1바이트이므로 변수의 크기는 적어도 ${1}$바이트 이상입니다. ${1}$바이트는 ${8}$비트이므로 ${8}$가지 상태를 저장할 수 있습니다.

bool 자료형도 ${1}$바이트를 사용하지만 그 중에서 ${1}$비트만 사용하고 ${7}$비트를 낭비하게 되는데 비트 연산을 사용하면 메모리를 낭비하지 않고 훨씬 효율적으로 정보를 처리할 수 있습니다.

비트 플래그(Bit Flag)

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비트 플래그라는 용어의 어원은 깃발입니다. 깃발을 위로 올리면 켜지고 아래로 내리면 꺼짐을 의미합니다.

깃발의 개념을 정수의 비트로 치환하여 비트가 ${1}$이면 켜진 상태, ${0}$이면 꺼진 상태를 나타내는 것입니다. 여기서 바이트의 개별 비트를 비트 플래그(bit flag)라고 합니다.

플래그의 순서를 읽을 때는 오른쪽에서 왼쪽으로 셉니다. 아래의 ${1}$바이트는 첫 번째, 네 번째 그리고 여덟 번째 비트가 켜진 상태입니다.

1000 1001

메모리의 최소 크기인 ${1}$바이트는 8비트이며 이는 0000 0000 ~ 1111 1111의 범위를 갖고 있어서 ${2^8 = 256}$ 개의 조합을 표현 할 수 있습니다.

이 조합에 대응하는 수 체계로 ${16}$진수를 사용합니다. 이는 0000 (0x0) ~ 1111 (0xF) 의 범위를 갖고 있어서 ${2^4 = 16}$ 개의 조합을 표현 할 수 있습니다.

${16 * 16 = 2^8}$ 이기 때문에 ${16}$진수 숫자 두 개로 ${1}$바이트를 완벽히 표현할 수 있습니다.

${1}$바이트는 ${17}$진수로 0x00 ~ 0xFF의 범위를 갖습니다.

0x01 // 0000 0001
0x02 // 0000 0010
0x04 // 0000 0100
0x08 // 0000 1000
0x10 // 0001 0000
0x20 // 0010 0000
0x40 // 0100 0000
0x80 // 1000 0000

${1}$바이트는 ${8}$개의 플래그를 가지고 있으니 ${2^8}$개의 조합을 표현 할 수 있으며 그것보다 더 많은 조합이 필요할 경우 비트 숫자를 늘려서 ${16}$비트, ${32}$비트 등등을 사용하면 됩니다.

비트 마스크(Bit Mask)

이렇게 만든 비트 플래그를 위에서 배운 비트 단위 연산자를 응용하여 플래그를 제어하는 것이 가능하며 이러한 방식을 비트 마스크라고 합니다.

예를 들어 UnityEngine.Rendering의 이넘(enum) 중에는 ColorWriteMask 라는 이넘이 있습니다.

namespace UnityEngine.Rendering
{
    //
    // 요약:
    //     Specifies which color components will get written into the target framebuffer.
    [Flags]
    public enum ColorWriteMask
    {
        //
        // 요약:
        //     Write alpha component.
        Alpha = 0x01,
        //
        // 요약:
        //     Write blue component.
        Blue = 0x02,
        //
        // 요약:
        //     Write green component.
        Green = 0x04,
        //
        // 요약:
        //     Write red component.
        Red = 0x08,
        //
        // 요약:
        //     Write all components (R, G, B and Alpha).
        All = 0x0F
    }
}

(https://docs.unity3d.com/ScriptReference/Rendering.ColorWriteMask.html)

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(https://docs.unity3d.com/kr/2021.3/Manual/SL-ColorMask.html)

ColorWriteMask 이넘은 유니티의 ‘ShaderLab’에서 ColorMask 를 정의 해줄 때 사용하는 이넘 값으로서, 셰이더의 특정 컬러 채널의 렌더링을 활성화 또는 비활성화 하여 채널 별로 아웃풋(Output)을 제어하는 커맨드입니다.

  • A = 0x01
  • R = 0x02
  • G = 0x04
  • B = 0x08

채널 별로 제어가 가능해야 하기 때문에 ‘RGBA’ 네 가지 채널의 조합이 모두 가능해야 합니다.

그래서 ColorWriteMask 이넘은 비트 플래그 방식으로 만들어져 있습니다.

R = 0x02      // 0000 0010
RG = 0x06     // 0000 0110
RGB = 0x07    // 0000 1110
ARGB = 0x0F   // 0000 1111

위와 같이 비트 플래그를 조합해서 여러가지 상태를 표현할 수 있습니다.

비트 켜기

OR(|)을 사용해 비트를 켤 수 있습니다.

private static int BitMask()
{
    var result = 0x00; // 0000 0000
    var option = 0x10; // 0001 0000
    result |= option;
    return result; // 0001 0000 10
}

OR(|) 연산은 두 개의 비트 중 하나 이상이 ${1}$일 경우 ${1}$을 반환하고, 그 외의 경우에는 ${0}$을 반환하기 때문에 다섯 번째 비트 플래그가 켜집니다.

비트 끄기

AND(&)와 NOT(~)를 이용해서 비트를 끌 수 있습니다.

private static int BitMask()
{
    var result = 0x1C; // 0001 1100
    var option = 0x10; // 0001 0000
    result &= ~option;
    return result; // 0000 1100 12
}

NOT(~)은 비트를 반전하고 AND(&)는 두 개의 비트가 모두 ${1}$일 경우 ${1}$을 반환하며, 그 외의 경우에는 ${0}$을 반환합니다.

~option 은 0xEF (1110 1111) 니까 결과(result)인 0x1C (0001 1100) 와 AND(&) 하면 0x0C (0000 1100) 가 됩니다. 따라서 네 번째 비트를 끈 것과 같습니다.

private static int BitMask()
{
    var result = 0x1C; // 0001 1100
    var option0 = 0x10; // 0001 0000
    var option1 = 0x08; // 0000 1000
    result &= ~(option0 | option1);
    return result; // 0000 0100 4
}

OR(|)을 사용해서 옵션을 하나로 묶은 다음 여러 비트를 동시에 끌 수도 있습니다.

비트 토글하기

XOR(^)을 이용해서 비트를 토글(toggle)할 수 있습니다.

private static int BitMask()
{
    var result = 0x1C; // 0001 1100
    var option = 0x10; // 0001 0000
    result ^= option;
    return result; // 0000 1100 12
}

XOR(^)은 두 개의 비트가 서로 다른 경우 ${1}$을 반환하고, 그 외의 경우에는 ${0}$을 반환합니다. 따라서 다섯 번째 비트를 반전하는 것과 같습니다.

private static int BitMask()
{
    var result = 0x1C; // 0001 1100
    var option0 = 0x10; // 0001 0000
    var option1 = 0x08; // 0000 1000
    result ^= (option0 | option1);
    return result; // 0000 0100 4
}

XOR(^)도 OR(|)을 사용해서 옵션을 하나로 묶은 다음 여러 비트를 동시에 반전 할 수도 있습니다.

비트 확인하기

AND(&)를 이용해서 플래그의 상태를 알 수 있습니다.

private static int BitMask()
{
    var result = 0x1C; // 0001 1100
    var option = 0x10; // 0001 0000
    result &= option;
    return result; // 0001 0000 10
}

AND(&)는 두 개의 비트가 모두 ${1}$일 경우 ${1}$을 반환하고, 그 외의 경우에는 ${0}$을 반환합니다. 따라서 다섯 번째 비트가 켜져있음을 알 수 있습니다.

레퍼런스(Reference)

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