如何从/向流写入/读取位？ （C＃）

Posted 2023-03-30

【中文标题】如何从/向流写入/读取位？ （C＃）

【英文标题】：How to write/read bits from/to a Stream? (C#)

【发布时间】：2009-08-22 12:02:56

【问题描述】：

如何将位写入流 (System.IO.Stream) 或在 C# 中读取？谢谢。

【问题讨论】：

你能提供更多的上下文吗？你的意思是读/写二进制数据而不是文本数据？您打算读/写什么类型的数据？

你真的要写单个位（不是字节）吗？

问题很清楚，他需要一次向/从流中写入或读取一个位。这对于编写紧凑的流或 Huffman 压缩是典型的。

【参考方案1】：

您可以在 Stream 上创建一个枚举位的扩展方法，如下所示：

public static class StreamExtensions

    public static IEnumerable<bool> ReadBits(this Stream input)
    
        if (input == null) throw new ArgumentNullException("input");
        if (!input.CanRead) throw new ArgumentException("Cannot read from input", "input");
        return ReadBitsCore(input);
    

    private static IEnumerable<bool> ReadBitsCore(Stream input)
    
        int readByte;
        while((readByte = input.ReadByte()) >= 0)
        
            for(int i = 7; i >= 0; i--)
                yield return ((readByte >> i) & 1) == 1;
        
    

使用这种扩展方法很简单：

foreach(bool bit in stream.ReadBits())

    // do something with the bit

注意：不要在同一个Stream上多次调用ReadBits，否则后续调用会忘记当前位的位置，直接开始读取下一个字节。

【讨论】：

整洁地使用扩展方法。但是，您可以添加对以相反顺序读取位的支持。

多次调用ReadBits 每次都会从流中读取一个新字节，即使前一个字节中还有未读取的位。我已经在下面发布了一个解决这个问题的答案。

是的，应该有一个字节序标志。

戴夫，这不正确。第一次迭代读取第一个字节并产生第一位。此时，执行在内部 for 循环内暂停。下一次迭代将从该点恢复并从第一个字节产生下一位。只有在内部 for 循环完成后（即 8 次迭代后）才会读取下一个字节。

@TommyCarlier 请参阅dotnetfiddle.net/Syk1kL - 您的解决方案会跳到下一个字节并随后调用ReadBits。

【参考方案2】：

这对于默认流类是不可能的。 C# (BCL) Stream 类在其最低级别的字节粒度上运行。您可以做的是编写一个包装类，该类读取字节并将它们划分为位。

例如：

class BitStream : IDisposable 
  private Stream m__stream;
  private byte? m_current;
  private int m_index;
  public byte ReadNextBit()  
    if ( !m_current.HasValue ) 
      m_current = ReadNextByte();
      m_index = 0;
    
    var value = (m_byte.Value >> m_index) & 0x1;
    m_index++;
    if (m_index == 8) 
      m_current = null;
    
    return value;
  
  private byte ReadNextByte() 
    ...
  
  // Dispose implementation omitted

注意：这将以从右到左的方式读取位，这可能是也可能不是您想要的。

【讨论】：

@Alon，我刚刚添加了一个关于如何做到这一点的快速示例

能否添加一个写位的例子，好吗？

流是 IDisposable：任何包装器（如 BitStream）本身应该是 IDisposable，或者（不太理想）明确记录它不处理 Disposal 的事实。

当你用完当前字节中的位时，你需要一种方法来表示需要读取下一个字节......当你的说明性示例开始成为现实时，你不讨厌它吗您永远不会亲自使用的代码。 :-)

@Alon -- 这里的人们倾向于对“你会为我编写代码”类型的问题和 cmets 皱眉。鉴于此代码示例，您确实应该能够弄清楚如何编写位。您只需要将它们累积成一个字节，直到字节满，然后写入字节。

【参考方案3】：

如果您需要一次检索几位字节流的单独部分，则需要记住该位的位置，以便在调用之间读取下一个。下面的类负责在调用之间缓存当前字节和其中的位位置。

// Binary MSB-first bit enumeration.
public class BitStream

    private Stream wrapped;
    private int bitPos = -1;
    private int buffer;

    public BitStream(Stream stream) => this.wrapped = stream;

    public IEnumerable<bool> ReadBits()
    
        do
        
            while (bitPos >= 0)
            
                yield return (buffer & (1 << bitPos--)) > 0;
            
            buffer = wrapped.ReadByte();
            bitPos = 7;  
         while (buffer > -1);
    

这样调用：

var bStream = new BitStream(<existing Stream>);
var firstBits = bStream.ReadBits().Take(2);
var nextBits = bStream.ReadBits().Take(3);
...

【讨论】：

这个解决方案有一个问题：它只保留了缓冲区和 bitPos 变量的 1 个静态实例。当您同时在多个 Streams 上调用 ReadBits 时（例如，从多个线程），缓冲区和 bitPos 将无法为这些不同的 Streams 正确工作。此外，如果您在 1 个 Stream 上调用 ReadBits，完成并在新 Stream 上调用 ReadBits，缓冲区和 bitPos 仍将保留前一个 Stream 中的陈旧数据。

是的，扩展方法代码有限制，因为所有字段都必须是静态的，不允许您对同时打开的不同Streams 进行交叉读取。我已经把代码变成了一个常规的包装类。感谢您的反馈！