如何在 C/C++ 中读/写任意位
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【中文标题】如何在 C/C++ 中读/写任意位【英文标题】：How to read/write arbitrary bits in C/C++ 【发布时间】：2012-08-02 16:37:47 【问题描述】：假设我有一个二进制值为 11111111 的字节 b
例如，我如何读取从第二位开始的 3 位整数值或从第五位开始写入四位整数值？
【问题讨论】：
您必须使用位操作，例如 &、>、| How can I access specific group of bits from a variable in C?的可能重复 这个问题的更一般的答案，虽然针对的是非新手（借用你的描述性词）：获取这本书 Hacker's Delight。那本书中的大多数食谱，一个普通人永远不需要实施，但如果你需要的是一本用于小玩意的食谱，它可能是这方面最好的书。 @BrianVandenberg - 这个问题的想法是了解位访问本质上是如何工作的，而不是一些会让人们摸不着头脑的超级 leet haxor 技巧。加上去年 SO 改变了对书籍建议等的政策。 您的回复最初让我想走开，但我仍然不得不尝试帮助您。 “掌握正则表达式”被广泛认为是该主题的最佳参考书，Hacker's Delight 是 /learning/ 如何进行位操作的最佳参考书。书中解释了算法并给出了证明（或它们的草图）。如果让读者对算法摸不着头脑，那将更多地是因为他们缺乏经验而不是书。 【参考方案1】：int x = 0xFF; //your number - 11111111
例如，我如何读取从第二位开始的 3 位整数值
int y = x & ( 0x7 << 2 ) // 0x7 is 111
// and you shift it 2 to the left
【讨论】：
您还需要右移 2 以获得 0-7 之间的数字。此外，只需使用0x1c 即可简化掩码【参考方案2】：
“例如，我如何读取从第二位开始的 3 位整数值？”
int number = // whatever;
uint8_t val; // uint8_t is the smallest data type capable of holding 3 bits
val = (number & (1 << 2 | 1 << 3 | 1 << 4)) >> 2;
（我假设“第二位”是第 2 位，即实际上是第三位。）
【讨论】：
使用0x7 更容易，因为它与0b111 相同，与(1 << 2 | 1 << 3 | 1 << 4) 相同。还有你转移到第三位，而不是第二位。
@Geoffrey 看到关于位编号的最后一句话。此外，任何体面的编译器都会优化冗长的 shift-and-or 部分，至少你可以第一眼看到你正在/正在做什么。
如果你想让它更简单，只需使用 0b 语法，那个移位逻辑，而将被编译出来是一场噩梦，例如(number >> 2) & 0b111
@Geoffrey 0b 语法是什么？这不是标准的 C。
我可能会将它与另一种语言混淆，或者 GCC 接受它，但是是你的权利，不是标准 C。【参考方案3】：
您需要对值进行移位和屏蔽，例如...
如果你想读取前两位，你只需要像这样屏蔽掉它们：
int value = input & 0x3;
如果你想抵消它，你需要右移 N 位，然后屏蔽掉你想要的位：
int value = (intput >> 1) & 0x3;
阅读您在问题中提出的三个位。
int value = (input >> 1) & 0x7;
【讨论】：
【参考方案4】：读取字节使用 std::bitset
const int bits_in_byte = 8;
char myChar = 's';
cout << bitset<sizeof(myChar) * bits_in_byte>(myChar);
要编写，您需要使用按位运算符，例如 & ^ | & >。确保了解他们的工作。
例如，要获得 00100100，您需要将第一位设置为 1，并使用 > 运算符将其移位 5 次。如果你想继续写，你只需继续设置第一位并移动它。这很像一台旧打字机：你写，然后换纸。
对于00100100：将第一位设置为1，移位5次，将第一位设置为1，并移位2次：
const int bits_in_byte = 8;
char myChar = 0;
myChar = myChar | (0x1 << 5 | 0x1 << 2);
cout << bitset<sizeof(myChar) * bits_in_byte>(myChar);
【讨论】：
【参考方案5】：您必须执行移位和掩码 (AND) 操作。 令 b 为任意字节，p 为您要从中获取 n 位 (>= 1).
首先你必须向右移动 b p 次：
x = b >> p;
其次，你必须用 n 个来掩盖结果：
mask = (1 << n) - 1;
y = x & mask;
你可以把所有东西都放在一个宏里：
#define TAKE_N_BITS_FROM(b, p, n) ((b) >> (p)) & ((1 << (n)) - 1)
【讨论】：
【参考方案6】：在我提出这个问题大约 2 年多之后，我想以我希望它解释的方式解释它，当时我还是一个完整的新手，并且对想要了解这个过程的人最有益。
首先，忘记“11111111”示例值，它并不完全适合可视化的过程解释。所以让初始值为10111011（十进制的187），这将更能说明这个过程。
1 - 如何读取从第二位开始的 3 位值：
___ <- those 3 bits
10111011
值为101，即十进制的5，有两种可能的获取方式：
掩码和移位在这种方法中，需要的位首先用值00001110（十进制的 14）进行掩码，然后移位到位：
___
10111011 AND
00001110 =
00001010 >> 1 =
___
00000101
表达式为：(value & 14) >> 1
这种方式类似，只是操作顺序颠倒了，即先将原值移位，然后用00000111(7)屏蔽，只留下最后3位：
___
10111011 >> 1
___
01011101 AND
00000111
00000101
表达式为：(value >> 1) & 7
两种方法都涉及相同数量的复杂性，因此在性能上不会有差异。
2 - 如何从第二位开始写入一个 3 位值：
在这种情况下，初始值是已知的，当代码中出现这种情况时，您可以想出一种方法将已知值设置为另一个使用较少操作的已知值，但实际上这很少出现这种情况，大多数时候代码既不知道初始值，也不知道要写入的值。
这意味着为了将新值成功“拼接”成字节，目标位必须设置为零，然后将移位后的值“拼接”到位，这是第一步：
___
10111011 AND
11110001 (241) =
10110001 (masked original value)
第二步是将我们要写入的值移到 3 位中，假设我们要将其从 101 (5) 更改为 110 (6)
___
00000110 << 1 =
___
00001100 (shifted "splice" value)
第三步也是最后一步是将被屏蔽的原始值与移位的“拼接”值拼接起来：
10110001 OR
00001100 =
___
10111101
整个过程的表达式为：(value & 241) | (6 << 1)
奖励 - 如何生成读写掩码：
当然，使用二进制到十进制转换器远非优雅，尤其是在 32 位和 64 位容器的情况下 - 十进制值变得非常大。可以轻松地生成带有表达式的掩码，编译器可以在编译期间有效地解析：
“掩码和移位”的读取掩码：((1 << fieldLength) - 1) << (fieldIndex - 1)，假设第一位的索引为 1（非零）
“移位和掩码”的读取掩码：(1 << fieldLength) - 1（索引在这里不起作用，因为它总是移位到第一位
编写掩码：只需使用~ 运算符反转“掩码和移位”掩码表达式
它是如何工作的（上面例子中的 3 位字段从第二位开始）？
00000001 << 3
00001000 - 1
00000111 << 1
00001110 ~ (read mask)
11110001 (write mask)
同样的例子适用于更宽的整数和字段的任意位宽和位置，移位和掩码值会相应变化。
还请注意，示例假定无符号整数，这是您想要使用的，以便将整数用作可移植位域的替代方案（标准绝不保证常规位域是可移植的），两者都离开并且右移插入一个填充0，而右移一个有符号整数则不是这种情况。
更简单：
使用这组宏（但仅限于 C++，因为它依赖于成员函数的生成）：
#define GETMASK(index, size) ((((size_t)1 << (size)) - 1) << (index))
#define READFROM(data, index, size) (((data) & GETMASK((index), (size))) >> (index))
#define WRITETO(data, index, size, value) ((data) = (((data) & (~GETMASK((index), (size)))) | (((value) << (index)) & (GETMASK((index), (size))))))
#define FIELD(data, name, index, size) \
inline decltype(data) name() const return READFROM(data, index, size); \
inline void set_##name(decltype(data) value) WRITETO(data, index, size, value);
你可以做一些简单的事情：
struct A
uint bitData;
FIELD(bitData, one, 0, 1)
FIELD(bitData, two, 1, 2)
;
并将位字段实现为您可以轻松访问的属性：
A a;
a.set_two(3);
cout << a.two();
将 decltype 替换为 gcc 的 typeof pre-C++11。
【讨论】：
要将最终样本翻译成 C 语言还有一些工作要做。您需要typedef struct A A; 才能定义 a 才能工作。同样在 C 中，您不能在结构范围内定义函数，这意味着需要进行一些重大更改（您需要将结构传递给函数等 - 符号更改是不可忽略的）。
你是对的。我并没有严格关注 C，因为最初的问题也被标记为 C++。它仍然可以在 C 中应用，但使用“假”成员函数，即手动传递显式 this（或更好的是 self 以实现 C++ 编译器兼容性）指针。
你在哪里定义value？它是一个字符数组吗？谢谢！
@tommy.carstensen - 我不确定我是否理解您的问题，该值只是一个无符号整数，为简洁起见，表示为单个字节。【参考方案7】：
如果您不断从数据中获取位，您可能需要使用位域。您只需要设置一个结构并仅使用 1 和 0 加载它：
struct bitfield
unsigned int bit : 1
struct bitfield *bitstream;
然后像这样加载它（用 int 或您正在加载的任何数据替换 char）：
long int i;
int j, k;
unsigned char c, d;
bitstream=malloc(sizeof(struct bitfield)*charstreamlength*sizeof(char));
for (i=0; i<charstreamlength; i++)
c=charstream[i];
for(j=0; j < sizeof(char)*8; j++)
d=c;
d=d>>(sizeof(char)*8-j-1);
d=d<<(sizeof(char)*8-1);
k=d;
if(k==0)
bitstream[sizeof(char)*8*i + j].bit=0;
else
bitstream[sizeof(char)*8*i + j].bit=1;
然后访问元素：
bitstream[bitpointer].bit=...
或
...=bitstream[bitpointer].bit
所有这些都假设是在 i86/64 上工作，而不是 arm，因为 arm 可以是大端或小端。
【讨论】：
我不喜欢位域的原因是标准没有指定实现。不能保证布局在不同平台上是相同的。手动执行此操作可确保并允许快速有效的批量二进制序列化/反序列化。【参考方案8】：随意使用它：
#define BitVal(data,y) ( (data>>y) & 1) /** Return Data.Y value **/
#define SetBit(data,y) data |= (1 << y) /** Set Data.Y to 1 **/
#define ClearBit(data,y) data &= ~(1 << y) /** Clear Data.Y to 0 **/
#define TogleBit(data,y) (data ^=BitVal(y)) /** Togle Data.Y value **/
#define Togle(data) (data =~data ) /** Togle Data value **/
例如：
uint8_t number = 0x05; //0b00000101
uint8_t bit_2 = BitVal(number,2); // bit_2 = 1
uint8_t bit_1 = BitVal(number,1); // bit_1 = 0
SetBit(number,1); // number = 0x07 => 0b00000111
ClearBit(number,2); // number =0x03 => 0b0000011
【讨论】：
以上是关于如何在 C/C++ 中读/写任意位的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章