C++位操作实战掩码、提取与组装
作者：极地星光
在C++编程中，位操作是一项基础且强大的技术，它允许程序员在二进制级别上直接操作数据。这种能力对于性能优化、内存节省以及底层硬件控制至关重要。本文将深入探讨C++中的掩码操作、字节提取与组装，并通过实例展示这些技术的实际应用。
一、位运算符基础
C++中的基本位运算符：
- 按位与（&）：对两个数的每一位执行与操作，仅当两个相应的位都为1时，结果的该位才为1。
- 按位或（|）：对两个数的每一位执行或操作，只要有一个相应的位为1，结果的该位就为1。
- 按位异或（^）：对两个数的每一位执行异或操作，当两个相应的位不同时，结果的该位为1，相同时为0。
- 按位取反（~）：对一个数的每一位执行取反操作，0变为1，1变为0。
- 左移（<<）：将一个数的所有位向左移动指定的位数，右边补0。左移相当于对数字进行2的n次幂的乘法运算（n为移动的位数）。
- 右移（>>）：将一个数的所有位向右移动指定的位数。对于无符号数，高位补0；对于有符号数，处理方式因编译器而异，可能补符号位（算术右移）或补0（逻辑右移）。
示例1：按位与（清零、取指定位）
#include <stdio.h>
int main() {
int targetValue = 0b11011010; // 二进制表示法
int mask = 0b00110011;
int result = targetValue & mask; // 应用掩码，保留掩码中为1的位
printf("原始: %08b\n", targetValue);
printf("掩码: %08b\n", mask);
printf("结果: %08b\n", result);
return 0;
}输出：
原始: 11011010
掩码: 00110011
结果: 00011010
示例2：按位或（保留指定位）
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 0b00101011;
int b = 0b10010100;
int result = a | b; // 按位或运算
printf("a: %08b\n", a);
printf("b: %08b\n", b);
printf("结果: %08b\n", result);
return 0;
}输出：
a: 00101011
b: 10010100
结果: 10111111
示例3：按位异或（特定位翻转）
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 0b01111010;
int mask = 0b00001111;
int result = a ^ mask; // 按位异或运算，翻转低4位
printf("原始: %08b\n", a);
printf("掩码: %08b\n", mask);
printf("结果: %08b\n", result);
return 0;
}输出：
原始: 01111010
掩码: 00001111
结果: 01110101
示例4：取反
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 0b01111010;
int result = ~a; // 取反运算
printf("原始: %08b\n", a);
printf("结果: %08b\n", result);
return 0;
}
输出：
原始: 01111010
结果: 10000101
示例5：左移和右移
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 0b00001111; // 15的二进制表示
int leftShiftResult = a << 2; // 左移2位
int rightShiftResult = a >> 2; // 右移2位（逻辑移位）
printf("原始: %08b\n", a);
printf("左移2位: %08b\n", leftShiftResult); // 相当于乘以4，结果为60
printf("右移2位: %08b\n", rightShiftResult); // 相当于除以4，结果为3或-4（取决于符号位和移位方式）
return 0;
}输出（假设为逻辑移位）：
原始: 00001111
左移2位: 00111100
右移2位: 00000011
二、掩码操作实战
掩码是一个二进制数，用于屏蔽不需要的位，只保留目标位。通过与操作（&），可以保留掩码中为1的位，其他位都被清零。在C/C++中使用掩码操作来设置、清除和检查整数的特定位。这些技术在性能优化、内存节省以及底层硬件控制中非常有用。
- 设置特定位：通过掩码与或操作，可以设置整数的特定位。例如，要设置32位整数的第5位（从0开始计数），可以使用
num | (1 << 5)。 - 清除特定位：通过掩码与取反操作，可以清除整数的特定位。例如，要清除32位整数的第5位，可以使用
num & ~(1 << 5)。 - 检查特定位：通过与操作，可以检查整数的特定位是否被设置。例如，要检查32位整数的第5位是否被设置，可以使用
(num & (1 << 5)) != 0。
示例1：设置特定位
假设我们有一个32位整数num，我们想要设置其中的第5位（从0开始计数）。我们可以使用以下代码：
#include <stdio.h>
int main() {
unsigned int num = 0; // 初始化为0
unsigned int mask = 1 << 5; // 创建一个掩码，第5位为1，其他位为0
num |= mask; // 使用或操作设置第5位
printf("num: %u\n", num); // 输出结果，应该看到第5位被设置为1
return 0;
}示例2：清除特定位
现在，假设我们想要清除num的第5位。我们可以使用以下代码：
#include <stdio.h>
int main() {
unsigned int num = 0x20; // 初始化为0x20（二进制：00100000），第5位被设置
unsigned int mask = ~(1 << 5); // 创建一个掩码，第5位为0，其他位为1
num &= mask; // 使用与操作清除第5位
printf("num: %u\n", num); // 输出结果，应该看到第5位被清除
return 0;
}示例3：检查特定位
最后，假设我们想要检查num的第5位是否被设置。我们可以使用以下代码：
#include <stdio.h>
int main() {
unsigned int num = 0x20; // 初始化为0x20（二进制：00100000），第5位被设置
unsigned int mask = 1 << 5; // 创建一个掩码，第5位为1，其他位为0
int bitIsSet = (num & mask) != 0; // 使用与操作检查第5位是否被设置
if (bitIsSet) {
printf("The 5th bit is set.\n");
} else {
printf("The 5th bit is not set.\n");
}
return 0;
}三、字节提取与组装实战
- 字节提取：通过右移和掩码操作，可以提取整数的特定字节。
- 字节组装：通过左移和按位或操作，可以将多个字节组合成一个整数。
字节提取示例
假设我们有一个32位无符号整数num，其值为0x12345678（十六进制表示，二进制为00010010 00110100 01010110 01111000）。
提取低8位（最低字节）：
unsigned char lowByte = (unsigned char)(num & 0xFF);
printf("Low byte: 0x%02X\n", lowByte); // 输出：Low byte: 0x78这里，0xFF是一个掩码，其二进制表示为11111111。通过与操作&，我们保留了num的低8位，并将其他位清零。然后，我们将结果强制转换为unsigned char类型，以确保它是一个字节大小。
提取第二个字节（从0开始计数）：
unsigned char secondByte = (unsigned char)((num >> 8) & 0xFF);
printf("Second byte: 0x%02X\n", secondByte); // 输出：Second byte: 0x56首先，我们通过右移操作>> 8将num的所有位向右移动8位，这样原来的第二个字节就变成了新的低字节。然后，我们再次使用0xFF掩码和与操作来提取这个新的低字节。
字节组装示例
现在，假设我们有四个字节byte1 = 0x12，byte2 = 0x34，byte3 = 0x56，byte4 = 0x78，我们想要将它们组合成一个32位无符号整数。
将两个字节组合成一个16位整数：
unsigned char secondByte = (unsigned char)((num >> 8) & 0xFF);
printf("Second byte: 0x%02X\n", secondByte); // 输出：Second byte: 0x56这里，我们首先通过左移操作<< 8将byte1的所有位向左移动8位，为byte2腾出空间。然后，我们使用按位或操作|将byte1（左移后的）和byte2组合起来。
将四个字节组合成一个32位整数：
unsigned short combined16 = (unsigned short)((byte1 << 8) | byte2);
printf("Combined 16-bit: 0x%04X\n", combined16); // 输出：Combined 16-bit: 0x1234类似地，我们分别将byte1、byte2、byte3向左移动24位、16位和8位，然后将它们与byte4通过按位或操作组合起来。
四、bitset 简介
bitset 是 C++ 标准库中一个非常有用的类模板，它可以帮助我们高效地处理二进制数据。通过使用 bitset，我们可以方便地进行位设置、重置、翻转、检查、获取值以及位运算等操作。此外，bitset 还提供了遍历设置为 1 的位的功能，使得处理二进制数据变得更加灵活和方便。
引入头文件和定义 bitset
#include <bitset> std::bitset<8> myBitset;
常用操作
设置位：
使用 set() 函数可以将某个位设置为 1。例如：
myBitset.set(3); // 将第 4 个位（索引从 0 开始）设置为 1
重置位：
使用 reset() 函数可以将某个位设置为 0。如果调用时不带参数，则会重置整个 bitset。例如：
myBitset.reset(3); // 将第 4 个位重置为 0 myBitset.reset(); // 重置整个 bitset
翻转位：
使用 flip() 函数可以翻转某个位或者整个 bitset 的值。如果调用时不带参数，则会翻转整个 bitset。例如：
myBitset.flip(3); // 翻转第 4 个位 myBitset.flip(); // 翻转整个 bitset
检查位：
使用 test() 函数可以检查某个位是否为 1。例如：
bool isBitSet = myBitset.test(3); // 如果第 4 个位是 1，则返回 true，否则返回 false
获取值：
使用 to_string() 函数可以获取 bitset 的字符串表示。例如：
std::string bitsetString = myBitset.to_string(); // 返回一个表示 bitset 值的字符串
位运算：
bitset 还支持一些位运算操作，如按位与、按位或、按位异或等。例如：
std::bitset<8> anotherBitset("10101010");
myBitset &= anotherBitset; // 进行按位与操作遍历位：
使用 find_first() 和 find_next() 函数可以遍历设置为 1 的位。例如：
std::size_t pos = myBitset.find_first(); // 找到第一个设置为 1 的位的索引
while (pos != std::bitset<8>::npos) {
// 处理设置为 1 的位
pos = myBitset.find_next(pos); // 找到下一个设置为 1 的位的索引
}五、其他位操作技术
- 位旋转：涉及将整数的位向左或向右循环移动。可以通过组合左移、右移和按位或操作来实现。
- 位计数：计算一个整数中设置为1的位的数量。可以使用逐位检查或使用更高效的算法（如Brian Kernighan算法）。
- 位查找：找到整数中第一个或最后一个设置为1的位的位置。可以使用逐位检查或使用内置函数（如
__builtin_ctz或__builtin_clz，取决于编译器）。 - 位字段（Bit-fields）：位字段是C和C++中一种特殊的数据结构，允许在结构体中定义位级别的成员。虽然位字段在节省内存空间方面非常有用，但跨平台兼容性可能存在问题，因为不同编译器对位字段的布局和填充有不同的处理方式。因此，在使用位字段时需要谨慎，并确保在目标平台上进行充分的测试。
到此这篇关于C++位操作实战掩码、提取与组装的文章就介绍到这了,更多相关C++ 掩码、提取与组装内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！