ビット反転（bit flipping）は、デジタルデータを扱う際に欠かせない基本的なビット演算のひとつで、情報処理や暗号技術、画像処理などさまざまなIT分野で利用されています。
しかし、同じ「ビット反転」という言葉がビット否定（bitwise NOT）とビットリバース（bit reversal）の両方を意味する場合があるため、混乱を招くこともあります。
この記事では、それぞれの操作の違いや使用方法、プログラミングでの具体例を含めて、ビット反転の基礎と応用を詳しく解説します。
ビット反転の基礎知識
ビット反転とは？
ビット反転（bit flipping）とは、あるビット列における各ビットの値を0から1へ、または1から0へ反転させる処理です。
これはNOT演算（論理否定）としても知られ、ビット単位での論理操作に分類されます。
例えば、8ビットの2進数「11001010」にビット反転を行うと：
このようにすべてのビットが反転します。
ビット否定（Bitwise NOT）と1の補数
ビット否定（bitwise NOT）は、プログラミングでよく使用される演算で、すべてのビットを反転させた1の補数を求める操作として知られています。
例えば、8ビットの数値 x = 0b10101010 に対して否定演算 ~x を行うと、結果は 0b01010101 になります。
これは以下のような特徴があります：
-
x + ~x = 0xFF（すべてのビットが1の状態） -
通常、符号付き整数に対して適用すると注意が必要（符号ビットにも作用するため）
C言語におけるビット否定の記法
C言語やC++、Javaなどのプログラミング言語では、単項演算子 ~（チルダ）が使用されます。
ビットリバース（bit reversal）とは？
並び順の反転操作
ビットリバース（bit reversal）とは、ビット列の順序そのものを反転する処理で、ビット否定とは全く異なる操作です。
具体的には、先頭のビットと末尾のビットを入れ替え、2番目と末尾から2番目を入れ替える…といった形で進行します。
例えば：
ビットリバースの用途
ビットリバースは主に以下のような処理で活用されます：
-
高速フーリエ変換（FFT）のインデックス並べ替え
-
CRC演算（巡回冗長検査）のプリコンピュート
-
画像処理やデータ圧縮アルゴリズムの内部処理
実装例（C言語）
以下は8ビット整数に対してビットリバースを行う関数の一例です：
ビット反転の実用例と注意点
フラグ操作やマスク処理
ビット否定は、ビットマスクを利用した状態反転などに頻繁に使用されます。
たとえば、あるビットがONになっているかどうかを反転する処理など。
セキュリティ・暗号アルゴリズム
暗号処理では、データの初期状態の分散や混乱（diffusion & confusion）を実現するために、ビット反転やビットリバースが使用されます。
特にブロック暗号などでは、これらの操作を含む前処理・後処理が実装されています。
ハードウェア設計での活用
ビット単位の演算はFPGA設計やマイクロコントローラの制御など、ハードウェアレベルでも不可欠です。
ビット反転はレジスタ設定、割り込み制御、ピン操作などに幅広く使われます。
まとめ
ビット反転とは、ビット単位での「0」と「1」の切り替えや、ビット列の順序反転を意味する演算であり、ITエンジニアにとって必須の知識です。
-
ビット否定（bitwise NOT）は各ビットを反転し、符号ビットにも影響する。
-
ビットリバース（bit reversal）はビット列の順序を反転する処理で、FFTや暗号処理などに応用される。
-
両者は似て非なる操作であり、用途や意図に応じた正しい使い分けが求められる。
ビット演算を正しく理解し活用することは、プログラムの効率化やシステム最適化につながります。
これを機に、基本に立ち返ってビット操作の理解を深めてみましょう。