在實際項目中，經常需要大量依賴 PHP 中的位運算操作。從讀取二進制文件到模擬處理器，這是一項非常有用的知識，而且也非常酷。
PHP 提供了許多工具來支持你處理二進制數據，但需要從一開始就注意：如果你追求極致的底層效率，PHP 並不是最佳選擇。
不過請耐心看下去！本文將展示關於位運算、二進制和十六進制處理的非常有價值的內容，這些在任何語言中都會有用。
原文鏈接 進階學習 PHP 中的二進制和位運算
為什麼 PHP 可能不是最佳選擇 PHP 能優雅地處理比想象中更多的情況。但在需要非常高效地處理二進制數據的場景下，PHP 確實存在侷限性。
説清楚一點：這裏指的不是應用程序多消耗 5 或 10MB 內存的問題，而是精確分配必要的內存量來保存特定數據類型的能力。
根據官方文檔關於整數的説明，PHP 使用 integer 類型來表示十進制、十六進制、八進制和二進制。所以無論你放什麼數據進去，它始終都是一個整數。
你可能聽説過 ZVAL，它是表示每個 PHP 變量的 C 結構體。它有一個字段用於表示所有整數，叫做 zend_long。如你所見，zend_long 的類型是 lval，其大小取決於平台：在 64 位平台上，它被表示為 64 位整數，而 32 位平台則表示為 32 位整數。
// zval 將每個整數存儲為 lval typedef union _zend_value { zend_long lval; // ... } zend_value;
// lval 是一個 32 或 64 位整數 #ifdef ZEND_ENABLE_ZVAL_LONG64 typedef int64_t zend_long; // ... #else typedef int32_t zend_long; // ... #endif 底線是：無論你需要存儲 0xff、0xffff、0xffffff 還是其他什麼，它們在 PHP 中都將被存儲為 32 或 64 位的 long（lval）。
例如，在微控制器模擬項目中。雖然正確處理內存和操作是必須的，但並不真的需要那麼高的內存效率，因為主機在數量級上就能彌補這一點。
當然，當涉及到 C 擴展或 FFI 時，一切都會改變，但這裏討論的是純 PHP。
所以請記住這一點：它能工作，並且可以實現你想要的所有行為，但在大多數情況下，類型不會高效地適配。
二進制和十六進制數據表示快速入門 在討論 PHP 如何處理二進制數據之前，需要先了解一些二進制的基礎知識。如果你認為自己已經瞭解所需的一切，請直接跳到 PHP 中的二進制數字和字符串 部分。
數學中有個叫做” 進制” 的東西。它定義瞭如何用不同格式表示數量。人類通常使用十進制（base 10），它允許用數字 0、1、2、3、4、5、6、7、8 和 9 來表示任何數字。
為了使接下來的示例更清晰，本文將數字”20” 稱為” 十進制 20”。
二進制數字（base 2）可以表示任何數字，但只使用兩個不同的數字：0 和 1。
十進制 20 在二進制形式中可以表示為 0b00010100。別擔心如何轉換它，讓機器來做這件事 😉
十六進制數字（base 16）可以表示任何數字，為此，它不僅使用十個數字 0、1、2、3、4、5、6、7、8 和 9，還使用從拉丁字母借來的六個額外字符：a、b、c、d、e 和 f。
同樣的十進制 20 在十六進制中表示為數字 0x14。再次強調，不要試圖在腦海中將其轉換為十進制，計算機會處理！
需要理解的重點是，數字可以用不同的進製表示：二進制（base 2）、八進制（base 8）、十進制（base 10，常用的進制）和十六進制（base 16）。
在 PHP 和許多其他語言中，二進制數字像其他數字一樣書寫，但帶有前綴 0b，比如十進制 20 表示為 0b00010100。十六進制數字帶有前綴 0x，比如十進制 20 表示為 0x14。
眾所周知，計算機不存儲字面數據。相反，它們用二進制數字表示一切：0 和 1。字符、數字、符號、指令…… 一切都使用 base 2 表示。字符只是數字序列的約定：例如，字符 ‘a’ 在 ASCII 表中就是數字 97。
儘管一切都以二進制存儲，但程序員閲讀這些數據最方便的方式是使用十六進制。它們看起來更整潔。看看這個例子：
// 字符串 "abc" 'abc'
// 二進制形式（呃） 0b01100001 0b01100010 0b01100011
// 十六進制形式（哇哦） 0x61 0x62 0x63 雖然二進制佔用大量視覺空間，但十六進制非常整潔地表示二進制數據。這就是為什麼我們在進行底層編程時通常堅持使用它們。
進位操作 讀者應該已經熟悉進位（Carry）的概念，但需要特別關注它，以便在不同進制中使用。
在十進制中，我們有十個不同的數字來表示從零（0）到九（9）的數字。但每當我們試圖表示大於 9 的數字時，我們就會用完數字！因此會發生進位操作：我們在數字前面加上數字一（1），並將右邊的數字重置為零（0）。
// 十進制（base 10） 1 + 1 = 2 2 + 2 = 4 9 + 1 = 10 // <- 進位 二進制會有類似的行為，但僅限於數字 0 和 1。
// 二進制（base 2） 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 1 = 10 // <- 進位 1 + 10 = 11 十六進制也是一樣，但範圍要寬得多。
// 十六進制（base 16） 1 + 9 = a // 沒有進位，a 在範圍內 1 + a = b 1 + f = 10 // <- 進位 1 + 10 = 11 如你所見，進位操作需要更多位數來表示某個數字。這讓你能夠理解某些數據類型是如何受限的，以及由於它們存儲在計算機中，它們的限制以二進制形式表示。
計算機內存中的數據表示 如我之前提到的，計算機使用二進制格式存儲一切。所以實際存儲的只有 0 和 1。
可視化它們如何存儲的最簡單方法，是想象一個單行多列的大表格（列數取決於存儲容量），其中每一列都是一個二進制位（bit）。
使用僅 8 位在這樣的表格中表示我們的十進制 20，看起來像這樣：
位置（地址） 0 1 2 3 4 5 6 7 位 0 0 0 1 0 1 0 0 無符號 8 位整數是一個最多隻能用 8 個二進制數字表示的數字。所以 0b11111111（十進制 255）是無符號 8 位整數可以存儲的最大數字。給它加 1 將需要進位操作，無法用相同數量的數字表示。
有了這個概念，我們可以輕鬆理解為什麼有這麼多數字的內存表示，以及它們實際上是什麼：uint8 是無符號 8 位整數（十進制 0 到 255），uint16 是無符號 16 位整數（十進制 0 到 65,535）。還有 uint32、uint64 以及理論上更高的類型。
有符號整數也可以表示負值，通常使用最後一位來確定數字是正數（最後一位 = 0）還是負數（最後一位 = 1）。如你所想，它們在相同的內存量下能夠存儲更小的值。有符號 8 位整數的範圍是十進制 -128 到十進制 127。
這是十進制 -20 表示為有符號 8 位整數的樣子。注意它的第一位（地址 0）被設置（等於 1），這將數字標記為負數。
位置（地址） 0 1 2 3 4 5 6 7 位 1 0 0 1 0 1 0 0 希望到目前為止一切都説得通。這個入門對於你理解計算機內部如何工作非常重要。只有這樣，你才會對 PHP 實際在底層做什麼感到舒適，我們必須始終牢記這一點。
算術溢出 選擇如何表示數字（8 位、16 位…）將決定它們的最小值和最大值範圍。這基本上是因為它們在內存中的存儲方式：將 1 加到二進制數字 1 應該導致進位操作，這意味着需要另一個位來作為實際數字的前綴。
由於整數格式定義得非常明確，因此無法依賴超出該限制的進位操作。（實際上是可能的，但有點瘋狂）
位置（地址） 0 1 2 3 4 5 6 7 位 1 1 1 1 1 1 1 0 這裏我們非常接近 8 位限制（十進制 255）。如果我們給它加 1，最終會得到十進制 255 和以下二進制表示：
位置（地址） 0 1 2 3 4 5 6 7 位 1 1 1 1 1 1 1 1 所有位都被設置了！再給它加 1 將需要進位操作，但這無法發生，因為我們沒有足夠的位：所有 8 位都被設置了！這導致了一種叫做溢出（overflow）的情況，當你試圖超出某個限制時就會發生。當你讀取其 8 位結果時，二進制操作 255 + 2 應該得到 1。
位置（地址） 0 1 2 3 4 5 6 7 位 0 0 0 0 0 0 0 1 這種行為不是隨機的，涉及計算來確定新值是什麼，這裏不相關就不展開了。
PHP 中的二進制數字和字符串 好了，回到 PHP！前面繞了一大圈，但這些基礎知識是必要的。
到現在為止，這些概念應該已經串聯起來了：二進制數字、它們如何存儲、什麼是溢出、php 如何表示數字…
十進制 20 在 PHP 整數中表示可能有兩種不同的表示形式，具體取決於你的平台。x86 平台以這種方式表示它：
位置: 63 ... 7 6 5 4 3 2 1 0 位: 0 ... 0 0 1 0 1 0 0 0 而 x64 平台則是這樣：
位置: 31 ... 7 6 5 4 3 2 1 0 位: 0 ... 0 0 1 0 1 0 0 0 但對於 PHP 來説，它們是完全相同的數字：整數 20。
這就帶來了一個有趣的問題：我們如何處理 binary 字符串？
PHP 字符串允許我們自己定義字節。我們可以創建一個 2 字節的字符串來保存十進制 20，或者一個 8 字節的字符串。具體取決於你的需求。
二進制：整數還是字符串，在 PHP 中該用哪個？ 現在來到有趣的部分！讓我們動手玩一下 PHP 代碼吧！
首先展示如何可視化數據。畢竟需要理解正在處理的內容。
調試整數實際上非常非常簡單，可以直接使用 sprintf() 函數。它的格式化功能非常強大，可以幫助快速瞭解這些值是什麼。
下面以 8 位二進制格式和 1 字節十六進制格式表示十進制 20。
<?php // 十進制 20 $n = 20;
echo sprintf('%08b', $n) . "\n"; echo sprintf('%02X', $n) . "\n";
// 輸出： 00010100 14 格式 %08b 使變量 $n 以二進制表示（b）打印，帶 8 位數字（08）。
格式 %02X 以十六進制（X）和 2 位數字（02）表示變量 $n。
可視化二進制字符串 雖然 PHP 整數始終是 32 或 64 位長，但字符串的長度取決於其內容。要解碼它們的二進制值並可視化發生了什麼，我們需要檢查並轉換每個字節。
幸運的是，PHP 字符串可以像數組一樣解引用，每個位置指向一個 1 字節大小的字符。這是一個如何訪問字符的快速示例：
<?php $str = 'thephp.website';
echo $str[3]; echo $str[4]; echo $str[5];
// 輸出： php 相信每個字符都是 1 字節，我們可以輕鬆調用 ord() 函數將其轉換為 1 字節整數。像這樣：
<?php $str = 'thephp.website';
echo sprintf( '%02X %02X %02X', $f, $s, $t, ); // 輸出： 70 68 70 我們可以通過命令行應用程序 hexdump 進行雙重檢查，看看我們是否走在正確的道路上：
$ echo 'php' | hexdump // 輸出 0000000 70 68 70 ... 其中第一列僅是地址，從第二列開始我們看到表示字符 p、h 和 p 的十六進制值。
此外，在處理二進制字符串時，可以使用 pack() 和 unpack() 函數，這裏有一個很棒的例子！
假設需要讀取一個 JPEG 文件來獲取它的一些數據（比如 EXIF）。可以使用讀取二進制模式打開文件句柄。下面是如何操作並立即讀取前 2 個字節：
<?php
$h = fopen('file.jpeg', 'rb');
// 讀取 2 字節 
$ints = unpack('C*', $soi);
var_dump($ints); // 輸出 array(2) { [1] => int(-1) [2] => int(-40) }
echo sprintf('%02X', $ints[1]); echo sprintf('%02X', $ints[2]); // 輸出 FFD8 注意 unpack() 函數中的格式 C 會將字符串 $soi 中的字符解碼為無符號 8 位數字。星號修飾符 * 使其解包整個字符串。
位運算操作 PHP 實現了人們可能需要的所有位運算操作。它們以表達式的形式構建，其結果如下所述：
PHP 代碼 名稱 描述 $x | $y 包含或 一個值，其位在 $x 和 
假設 $x = 0x20 和 $y = 0x30。下面的示例將使用二進制表示法使事情更清楚。
包含或（$x | $y）的工作原理 包含或操作將產生一個結果，該結果包含兩個輸入的所有設置位。所以操作 $x | $y 必須返回 0x30。看看下面發生了什麼：
// 1 | 1 = 1 // 1 | 0 = 1 // 0 | 0 = 0
0b00100000 // $x = 0x20 0b00110000 // $y = 0x30 OR ------- // $x | 
異或（$x ^ $y）的工作原理 異或（也稱為 Xor）只會捕獲僅存在於一側的位。所以 $x ^ $y 的結果是 0x10。看下面的示例：
// 1 ^ 1 = 0 // 1 ^ 0 = 1 // 0 ^ 0 = 0
0b00100000 // $x = 0x20 0b00110000 // $y = 0x30 XOR ------ // $x ^ 
$x & $y 的結果是 0x20，原因如下：
// 1 & 1 = 1 // 1 & 0 = 0 // 0 & 0 = 0
0b00100000 // $x = 0x20 0b00110000 // $y = 0x30 AND ------ // $x & 
// ~1 = 0 // ~0 = 1
0b00100000 // 
左移和右移（
這裏採用一個較小的二進制數來演示，這樣更容易理解。以 $x = 0b0010 為例。如果將 $x 向左移動一次，那個位 1 應該向左移動一步：
什麼是位掩碼 我們可以用這些操作和其他技術做很多很酷的事情。一個始終要記住的偉大技術是位掩碼。
位掩碼只是你選擇的任意二進制數，經過精心設計以提取非常特定的信息。
例如，採用這樣的思路：當第 8 位未設置（等於 0）時，有符號 8 位整數為正，當設置時為負。那麼問題來了，0x20 是正數還是負數？0x81 呢？
為此，我們可以製作一個非常方便的字節，只設置負位（0b10000000，相當於 0x80）並對 0x20 使用 AND 操作。如果結果等於 0x80（0b10000000，我們的掩碼），那麼它是負數，否則它是正數：
// 0x80 === 0b10000000 (位掩碼) // 0x20 === 0b00100000 // 0x81 === 0b10000001
0x20 & 0x80 === 0x80 // false 0x81 & 0x80 === 0x80 // true 當你處理標誌時，這通常是必要的。你甚至可以在 PHP 本身中找到使用示例：錯誤報告標誌。
可以像這樣選擇將報告哪種錯誤：
error_reporting(E_WARNING | E_NOTICE); 那裏發生了什麼？嗯，只需檢查你提供的值：
0b00000010 (0x02) E_WARNING 0b00001000 (0x08) E_NOTICE OR ------- 0b00001010 (0x0A) 所以每當 PHP 看到可以報告的 Notice 時，它會檢查類似這樣的東西：
// 我們之前設置的錯誤報告 $e_level = 0x0A;
// 需要拋出一個 notice if ($e_level & E_NOTICE === E_NOTICE) // 標誌已設置：拋出 notice 你會到處看到這個！二進制文件、處理器、各種底層東西！
整數規範化 PHP 在處理二進制數字時有一個非常具體的問題：我們的整數是 32 或 64 位寬。這意味着我們經常需要規範化它們才能信任我們的計算。
例如，在 64 位機器上運行以下操作會給我們一個奇怪的（但預期的）結果：
echo sprintf( '0b%08b', ~0x20 );
// 預期 0b11011111 // 實際 0b1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111011111 那裏發生了什麼？！嗯，對那個 8 位整數（0x20）的 NOT 操作翻轉了所有零位並將它們轉換為 1。猜猜過去是零的是什麼？沒錯，我們之前忽略的其他 56 位都在左邊！
再次強調，這是因為 PHP 的整數無論你放入什麼值都是 32 或 64 位長！
不過，這仍然按你期望的方式工作。例如，操作 ~0x20 & 0b11011111 === 0b11011111 結果為 bool(true)。但始終記住這些左邊的位一直存在，否則你的代碼中可能會出現奇怪的行為。
要解決此問題，你可以通過應用清除所有這些零的位掩碼來規範化整數。例如，要將 ~0x20 規範化為 8 位整數，我們必須將其與 0xFF（0b11111111）進行 AND 操作，這樣之前的 56 位都將設置為零。
~0x20 & 0xFF -> 0b11011111 注意！永遠不要忘記你的變量中攜帶的內容，否則你可能會遇到意外行為。例如，讓我們看看當我們使用和不使用 8 位掩碼右移上述值時會發生什麼。
~0x20 & 0xFF -> 0b11011111
0b11011111 >> 2 -> 0b00110111 // 預期
(~0x20 & 0xFF) >> 2 -> 0b00110111 // 預期
(~0x20 >> 2) & 0xFF -> 0b11110111 // 預期？ 説清楚一點：從 PHP 的角度來看，這是預期的，因為你顯然在那裏處理 64 位整數。你必須明確你的程序期望什麼。
專業提示：通過 TDD 編碼避免這樣的愚蠢錯誤。
總結 二進制很酷，PHP 也是。最重要的是：這些知識能讓你在令人驚歎的二進制數據世界中探索。
有了這些工具，其他一切只是找到關於二進制文件 / 協議如何行為的適當文檔的問題。畢竟，一切都是二進制序列。
強烈建議查看 PDF 規範，或者圖像元數據的 EXIF。你甚至可以嘗試自己實現 MessagePack 序列化格式，或者 Avro、Protobuf…… 可能性無窮無盡！