ビット演算子の使い方入門：フラグ管理を基礎から解説

ビット演算子は複数の真偽状態を1つの整数で効率よく扱える道具です。

初めてでも安心して読めるように、ビットと2進数の基本から、フラグ(ビットマスク)の設定・解除・確認の実例まで、順序立てて解説します。

小さなサンプルコードで動きを確かめながら、基礎を確実に身につけましょう。

ビット演算子の基礎

ビットと2進数の基本

なぜビットで考えるのか

コンピュータは0と1の並び(ビット)で情報を表現します。

複数のオン・オフ状態をひとまとめに持ち運ぶには、ビット単位の表現が最もコンパクトで高速です。

例えば4つの状態を4個の真偽値で持つのではなく、1つの整数(4ビット)にまとめられます。

2進数の見方

10進数の13は、2進数では1101です。

左から順に8、4、2、1の重みを持ち、1101は8+4+0+1=13を意味します。

各ビットが独立したスイッチのようにオン(1)かオフ(0)を示す、と理解すると扱いやすくなります。

例(8ビットの表示)

8ビットの値0101 0011は、上位から「64+16+2+1=83」を表します。

この「各ビットが独立」という性質を利用して、1つの整数の中で複数のフラグを同時に管理できます。

ビット演算子の種類

主な演算子一覧

ビット演算子には、ビット同士を合成したり、反転したり、位置をずらすためのものがあります。

最低限、AND・OR・XOR・NOT・左シフト・右シフトの6種を押さえれば実用に足ります。

以下はJavaScriptでの例ですが、CやJavaなどでも同様です。

ANDは選び出し、ORは足し合わせ、XORは切り替え、NOTは反転、シフトは桁移動と覚えておくと実務で迷いません。

初心者が混同しやすい記号

論理演算の&&や||と、ビット演算の&や|は別物です。

ビット単位の合成には&や|を、真偽値どうしの条件評価には&&や||を使います。

真偽値との違い

何が違うのか

真偽値はtrueかfalseの1つだけを持ちますが、ビット値は複数ビットを一度に持てます。

つまりビットは「複数の真偽値を圧縮して持つ」表現で、1つの整数に多数の状態を格納できます。

例で比較

• 論理演算: isReady && isVisible
• ビット演算: (flags & VISIBLE) != 0

前者は2つのbooleanを評価、後者は整数flagsの中からVISIBLEビットが立っているかを取り出して確認しています。

使い分けの目安

保持したい状態が3つ以上になったら、フラグ(ビット)でまとめるとコードがすっきりします。

配列やオブジェクトにbooleanを並べるより、ビットで持つ方が比較や保存が軽量です。

フラグ管理の基本とビットマスク

フラグとは

定義

フラグとは、ある条件が有効か無効かを示す1ビットの印です。

1つの整数の各ビットを別々のフラグとして割り当て、複数の状態を同時に表現します。

簡単なイメージ

「見える」「書ける」「実行できる」「隠す」などの状態を、それぞれ1ビットで管理します。

1ならオン、0ならオフという単純なルールなので、人にも機械にも扱いやすいのが特徴です。

ビットマスクの定義

マスクとは

ビットマスクは、関心のあるビット位置を1にした値です。

AND(&)で「必要なビットだけを取り出すフィルター」として機能します。

例(JS)

JavaScriptで定数を定義します。

// それぞれ固有のビット(2の累乗)を割り当てる
const READ   = 1 << 0; // 0001
const WRITE  = 1 << 1; // 0010
const EXEC   = 1 << 2; // 0100
const HIDDEN = 1 << 3; // 1000

各フラグは必ず「2の累乗(1,2,4,8,…)」にし、ビット位置が被らないようにします。

フラグを設定する

ORで立てる

あるフラグをオンにするにはOR(|)を使います。

let flags = 0;
flags |= READ;      // READをオン
flags |= WRITE;     // WRITEをオン
// flagsは 0000 -> 0001 -> 0011

ORは「足し合わせる」イメージで、既存のビットを壊さずに新しいビットを追加できます。

フラグを解除する

ANDとNOTで落とす

オフにするときはAND(&)とNOT(~)を組み合わせます。

flags &= ~WRITE;    // WRITEをオフにする
// ~WRITE は 1101、ANDで該当ビットだけ0に

解除は「消したいビット位置だけ0、他は1のマスク」を作ってANDする、と覚えましょう。

フラグを切り替える

XORでトグル

オンならオフに、オフならオンにする切り替えにはXOR(^)が便利です。

flags ^= HIDDEN;    // HIDDENをトグル

XORは「異なっていれば1」なので、同じ操作をもう一度行うと元に戻る特性があります。

フラグを確認する

ANDでチェック

フラグが立っているかは、AND(&)の結果が0かどうかで判断します。

if ((flags & READ) != 0) {
  console.log("読めます");
}

「等しいか」ではなく「0でないか」を見るのがポイントです。

初期化とデフォルト

すべてオフや複数オンで開始

初期値0は全フラグオフを意味します。

複数を既定でオンにしたい場合はORでまとめます。

let flags = READ | WRITE; // 既定で読み書き可

初期化時に「何がオンか」を定数で明示しておくと、後から仕様が変わっても修正が安全です。

実践パターン

複数フラグの同時設定

複数をまとめて立てる

一度に複数のフラグをオンにするにはORで合成します。

flags |= READ | EXEC;  // READとEXECを同時にオン

「合成してから一度に適用」の形は、分岐や関数引数にも流用しやすく、意図が読みやすくなります。

条件分岐でのフラグチェック

ANDの結果を明確に比較

分岐で使う時は括弧を付けて可読性を高めます。

if ((flags & (READ | WRITE)) != 0) {
  console.log("読み書きのどちらかが可能");
}

if ((flags & (READ | WRITE)) === (READ | WRITE)) {
  console.log("読み書きの両方が可能");
}

「いずれかが立っている」か「全てが立っている」かで比較方法が変わる点を押さえましょう。

権限や状態の管理に使う例

権限フラグのサンプル

実用では、権限やUI状態、ゲームの状態などをまとめて持ちます。

例として権限を表にします。

このように一覧化しておくと、レビューやデバッグ時に「どのビットが何を意味するか」が即座に共有できます。

実コード例

function canRead(flags)  { return (flags & READ)  != 0; }
function canWrite(flags) { return (flags & WRITE) != 0; }

const userFlags = READ | WRITE;
if (canRead(userFlags) && canWrite(userFlags)) {
  console.log("読み書き可能");
}

チェック処理を関数化すると、式の重複を減らしバグの混入を防げます。

enumや定数で読みやすくする

定数オブジェクト(JS)

JavaScriptでは定数名で意味を表すのが基本です。

const Perm = Object.freeze({
  READ:   1 << 0,
  WRITE:  1 << 1,
  EXEC:   1 << 2,
  HIDDEN: 1 << 3,
});

// 使用例
let flags = Perm.READ | Perm.WRITE;

名前付き定数にするだけで「何のビットか」が一目で分かり、マジックナンバーを排除できます。

補足(PythonのIntFlag)

Pythonならenum.IntFlagが使えます。

from enum import IntFlag, auto

class Perm(IntFlag):
    READ   = auto()  # 1
    WRITE  = auto()  # 2
    EXEC   = auto()  # 4
    HIDDEN = auto()  # 8

flags = Perm.READ | Perm.WRITE
if flags & Perm.READ:
    print("読めます")

言語に応じてenumや属性を活用すると、型安全性と自己文書性が高まります。

シフト演算でフラグを増やす

ビット位置をずらして定義

増えるたびに値を数える必要はありません。

1を左にシフトすれば新しいビットが作れます。

const FLAG0 = 1 << 0;
const FLAG1 = 1 << 1;
const FLAG2 = 1 << 2;
// あるいはループで自動生成も可

「1を左にn回シフト」で2のn乗になるので、ビット位置の重複を自然と回避できます。

よくあるミスと注意点

フラグ値の重複を避ける

2の累乗にする理由

例えばREAD=1、WRITE=2、EXEC=4のように、必ず2の累乗にします。

重複する値(例: READ=1、WRITE=1)や連番(1,2,3)は誤判定の原因になります。

ダメな例

// 悪い例: WRITEが3だと 0011 でREADと被る
const READ = 1;   // 0001
const WRITE = 3;  // 0011  ←重複

WRITEが立っている時にREADも立っていると判定されてしまい、意図しない結果になります。

優先順位は括弧で明確にする

比較よりANDを先に

演算子の優先順位を誤るとバグになります。

必ず「(flags & MASK) != 0」のように括弧でAND部分を明示しましょう。

// 良い
if ((flags & READ) != 0) { /* ... */ }

// 悪い(読み手に不親切、言語差で誤動作の恐れ)
if (flags & READ != 0) { /* ... */ }

括弧は可読性のためだけでなく、評価順を固定して安全にする役割もあります。

ビット幅と符号に注意

JavaScriptの32ビット制約

JavaScriptのビット演算は内部的に32ビット符号付き整数で行われます。

31個を超えるフラグ(最上位ビット含む)や大きな左シフトは負数になり得るため注意が必要です。

// 31ビット目(1<<31)は負数に見える
console.log(1 << 31); // -2147483648

// 対策: 使うビット数を抑える、またはBigIntを使う
const A = 1n << 40n;  // BigInt同士ならOK

多数のフラグが必要ならBigIntを検討するか、用途別に複数のflags変数に分ける設計を選びましょう。

==で比較しない((flags & X) != 0で確認)

等値比較が危険な理由

複数フラグが立つ可能性があるのに「flags == READ」のように書くと、READ以外のビットが立った瞬間に偽になります。

「そのビットが立っているか」を見るなら常に(flags & READ) != 0の形で確認します。

const flags = READ | WRITE;

if (flags == READ) {
  // ここには来ない(WRITEも立っているため等しくない)
}

if ((flags & READ) != 0) {
  // ここに来る(READビットは立っている)
}

等値比較は「それしか立っていない」を意味しますが、通常は「それが含まれているか」を知りたいはずです。

マジックナンバーを避ける

名前を付けて意味を共有

コード中に直接1や2や4を書くと意図が不明瞭です。

必ず定数やenum名で表し、定義を1か所に集約して保守しやすくします。

// 悪い
if ((flags & 4) != 0) { /* 4って何? */ }

// 良い
if ((flags & EXEC) != 0) { /* 実行権限 */ }

定数名は仕様書の言葉と揃えると、開発者間の認識がずれにくくなります。

まとめ

ビット演算子は、複数のオン・オフ状態を1つの整数で素早く扱う強力な道具です。

基礎として、フラグは2の累乗で定義し、設定はOR、解除はANDとNOT、切り替えはXOR、確認は(flags & MASK) != 0という型を確実に覚えましょう。

論理演算(&&, ||)と混同せず、括弧で評価順を明確にすれば、読みやすく安全なコードになります。

最後に、マジックナンバーを避けて定数やenumを使い、ビット幅や符号の制約(JSは32ビット)に気をつけることで、初学者でも実務で使える堅牢なフラグ管理を実現できます。