C/C++ 高效位数组
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【中文标题】C/C++ 高效位数组【英文标题】：C/C++ efficient bit array 【发布时间】：2011-02-07 16:05:48 【问题描述】：你能推荐一种有效/干净的方法来操作任意长度的位数组吗？
现在我正在使用常规的 int/char 位掩码，但是当数组长度大于数据类型长度时，这些位掩码不是很干净。
std vector<bool> 对我不可用。
【问题讨论】：
当数组长度大于数据类型长度时，当您说“常规 int/char 位掩码”不是很干净时，我不太确定您的意思是什么？我在下面发布了一个传统的 C 位集实现，因为我解释了您对 C/C++ 解决方案的请求，并且您声明std::vector<bool> 不可用表明您可能需要一个直接的 C 解决方案。
【参考方案1】：
我最近为此目的实现了一个名为 BitContainer 的小型仅标头库。 它侧重于表现力和编译时能力，可以在这里找到： https://github.com/EddyXorb/BitContainer
这肯定不是查看位数组的经典方式，但可以方便地用于强类型化目的和命名属性的内存高效表示。
例子：
constexpr Props props(Prop::isHigh(),Prop::isLow()); // intialize BitContainer of type Props with strong-type Prop
constexpr bool result1 = props.contains(Prop::isTiny()) // false
constexpr bool result2 = props.contains(Prop::isLow()) // true
【讨论】：
【参考方案2】：在微控制器开发中，有些时候我们需要用到 仅元素值为 [0, 1] 的二维数组（矩阵）。那 意味着如果我们使用 1 字节作为元素类型，它会极大地浪费内存 （微控制器的内存非常有限）。建议的解决方案是 我们应该使用 1 位矩阵（元素类型为 1 位）。
http://htvdanh.blogspot.com/2016/09/one-bit-matrix-for-cc-programming.html
【讨论】：
【参考方案3】：我最近发布了 BITSCAN，这是一个专门针对快速位扫描操作的 C++ 位字符串库。 BITSCAN 可用here。它处于 alpha 阶段，但仍然经过很好的测试，因为我近年来将它用于组合优化研究（例如在BBMC 中，一种最先进的精确最大集团算法）。可以在here 找到与其他知名 C++ 实现（STL 或 BOOST）的比较。
我希望你觉得它有用。欢迎任何反馈。
【讨论】：
域biicode.comexpired，现在是一个停车场。看起来 BITSCAN 现在可以通过 github.com/psanse/bitscan 获得。【参考方案4】：
我用这个：
//#include <bitset>
#include <iostream>
//source http://***.com/questions/47981/how-do-you-set-clear-and-toggle-a-single-bit-in-c
#define BIT_SET(a,b) ((a) |= (1<<(b)))
#define BIT_CLEAR(a,b) ((a) &= ~(1<<(b)))
#define BIT_FLIP(a,b) ((a) ^= (1<<(b)))
#define BIT_CHECK(a,b) ((a) & (1<<(b)))
/* x=target variable, y=mask */
#define BITMASK_SET(x,y) ((x) |= (y))
#define BITMASK_CLEAR(x,y) ((x) &= (~(y)))
#define BITMASK_FLIP(x,y) ((x) ^= (y))
#define BITMASK_CHECK(x,y) ((x) & (y))
【讨论】：
我们为什么要使用它？在这里解释一下！ 在大多数实现中，一个布尔值需要 1 个字节，在这种方法中，所需的内存空间最多可以减少 8 倍，但会以一些速度为代价。【参考方案5】：我知道这是一篇旧帖子，但我来这里是为了找到一个简单的 C bitset 实现，但没有一个答案与我正在寻找的答案完全匹配，所以我根据 Dale Hagglund 的答案实现了自己的答案。这是:)
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
typedef uint32_t word_t;
enum BITS_PER_WORD = 32 ;
struct bitv word_t *words; int nwords; int nbits; ;
struct bitv* bitv_alloc(int bits)
struct bitv *b = malloc(sizeof(struct bitv));
if (b == NULL)
fprintf(stderr, "Failed to alloc bitv\n");
exit(1);
b->nwords = (bits >> 5) + 1;
b->nbits = bits;
b->words = malloc(sizeof(*b->words) * b->nwords);
if (b->words == NULL)
fprintf(stderr, "Failed to alloc bitv->words\n");
exit(1);
memset(b->words, 0, sizeof(*b->words) * b->nwords);
return b;
static inline void check_bounds(struct bitv *b, int bit)
if (b->nbits < bit)
fprintf(stderr, "Attempted to access a bit out of range\n");
exit(1);
void bitv_set(struct bitv *b, int bit)
check_bounds(b, bit);
b->words[bit >> 5] |= 1 << (bit % BITS_PER_WORD);
void bitv_clear(struct bitv *b, int bit)
check_bounds(b, bit);
b->words[bit >> 5] &= ~(1 << (bit % BITS_PER_WORD));
int bitv_test(struct bitv *b, int bit)
check_bounds(b, bit);
return b->words[bit >> 5] & (1 << (bit % BITS_PER_WORD));
void bitv_free(struct bitv *b)
if (b != NULL)
if (b->words != NULL) free(b->words);
free(b);
void bitv_dump(struct bitv *b)
if (b == NULL) return;
for(int i = 0; i < b->nwords; i++)
word_t w = b->words[i];
for (int j = 0; j < BITS_PER_WORD; j++)
printf("%d", w & 1);
w >>= 1;
printf(" ");
printf("\n");
void test(struct bitv *b, int bit)
if (bitv_test(b, bit)) printf("Bit %d is set!\n", bit);
else printf("Bit %d is not set!\n", bit);
int main(int argc, char *argv[])
struct bitv *b = bitv_alloc(32);
bitv_set(b, 1);
bitv_set(b, 3);
bitv_set(b, 5);
bitv_set(b, 7);
bitv_set(b, 9);
bitv_set(b, 32);
bitv_dump(b);
bitv_free(b);
return 0;
【讨论】：
【参考方案6】：boost::dynamic_bitset 如果长度仅在运行时已知。
std::bitset 如果长度在编译时已知（尽管是任意的）。
【讨论】：
谢谢。我不能直接使用（GPU设备），但我可以查看源代码 @aaa：你可以使用.to_ulong()来获取设备的数值，假设小于32位。
运行时函数需要特殊的关键字，所以在这个意义上我不能直接使用 bitset【参考方案7】：
由于您提到了 C 和 C++，我假设像 boost::dynamic_bitset 这样的面向 C++ 的解决方案可能不适用，而是讨论低级 C 实现。请注意，如果像 boost::dynamic_bitset 这样的东西适合您，或者您可以找到预先存在的 C 库，那么使用它们可能比自己滚动更好。
警告：以下代码均未经过测试甚至编译，但应该非常接近您的需要。
首先，假设您有一个固定的位集大小 N。然后类似以下的工作：
typedef uint32_t word_t;
enum WORD_SIZE = sizeof(word_t) * 8 ;
word_t data[N / 32 + 1];
inline int bindex(int b) return b / WORD_SIZE;
inline int boffset(int b) return b % WORD_SIZE;
void set_bit(int b)
data[bindex(b)] |= 1 << (boffset(b));
void clear_bit(int b)
data[bindex(b)] &= ~(1 << (boffset(b)));
int get_bit(int b)
return data[bindex(b)] & (1 << (boffset(b));
void clear_all() /* set all elements of data to zero */
void set_all() /* set all elements of data to one */
正如所写，这有点粗糙，因为它只实现了一个具有固定大小的全局位集。要解决这些问题，您需要从如下所示的数据结构开始：
struct bitset word_t *words; int nwords; ;
然后编写函数来创建和销毁这些位集。
struct bitset *bitset_alloc(int nbits)
struct bitset *bitset = malloc(sizeof(*bitset));
bitset->nwords = (n / WORD_SIZE + 1);
bitset->words = malloc(sizeof(*bitset->words) * bitset->nwords);
bitset_clear(bitset);
return bitset;
void bitset_free(struct bitset *bitset)
free(bitset->words);
free(bitset);
现在，修改之前的函数以采用struct bitset * 参数相对简单。仍然无法在其生命周期内重新调整位集的大小，也没有任何边界检查，但此时两者都不会难以添加。
【讨论】：
为了改进这个答案，我会使用 CHAR_BIT (limits.h) 而不是 8。您可能在一个字节不是 8 位的架构上。【参考方案8】：我已经编写了一个基于Dale Hagglund's response 的工作实现，以提供 C 中的位数组（BSD 许可证）。
https://github.com/noporpoise/BitArray/
请让我知道您的想法/提出建议。我希望寻找这个问题的答案的人会发现它很有用。
【讨论】：
谢谢！！！你为我节省了几个小时的编码时间。我会检查你的代码，等待我的 cmets ;) 它似乎假设了一个小端处理器并且在一个大端处理器上失败了。 @JonS 请在 github 上打开一个问题，指定哪些测试失败 - 它应该支持大端机器。不幸的是，我没有一个可以测试。【参考方案9】：这篇文章比较老了，但是在我的 ALFLB 库中有一个高效的 C 位数组套件。
对于许多没有硬件除法操作码的微控制器，这个库是高效的，因为它不使用除法：而是使用掩码和位移。 （是的，我知道有些编译器会将除以 8 转换为移位，但这因编译器而异。）
它已经在最多 2^32-2 位的数组上进行了测试（大约 40 亿位存储在 536 MBytes 中），尽管如果在应用程序的 for 循环中不使用最后 2 位，则应该可以访问。
请参阅下面的文档摘录。 Doco 是http://alfredo4570.net/src/alflb_doco/alflb.pdf，库是http://alfredo4570.net/src/alflb.zip
享受， 阿尔夫
//------------------------------------------------------------------
BM_DECLARE( arrayName, bitmax);
Macro to instantiate an array to hold bitmax bits.
//------------------------------------------------------------------
UCHAR *BM_ALLOC( BM_SIZE_T bitmax);
mallocs an array (of unsigned char) to hold bitmax bits.
Returns: NULL if memory could not be allocated.
//------------------------------------------------------------------
void BM_SET( UCHAR *bit_array, BM_SIZE_T bit_index);
Sets a bit to 1.
//------------------------------------------------------------------
void BM_CLR( UCHAR *bit_array, BM_SIZE_T bit_index);
Clears a bit to 0.
//------------------------------------------------------------------
int BM_TEST( UCHAR *bit_array, BM_SIZE_T bit_index);
Returns: TRUE (1) or FALSE (0) depending on a bit.
//------------------------------------------------------------------
int BM_ANY( UCHAR *bit_array, int value, BM_SIZE_T bitmax);
Returns: TRUE (1) if array contains the requested value (i.e. 0 or 1).
//------------------------------------------------------------------
UCHAR *BM_ALL( UCHAR *bit_array, int value, BM_SIZE_T bitmax);
Sets or clears all elements of a bit array to your value. Typically used after a BM_ALLOC.
Returns: Copy of address of bit array
//------------------------------------------------------------------
void BM_ASSIGN( UCHAR *bit_array, int value, BM_SIZE_T bit_index);
Sets or clears one element of your bit array to your value.
//------------------------------------------------------------------
BM_MAX_BYTES( int bit_max);
Utility macro to calculate the number of bytes to store bitmax bits.
Returns: A number specifying the number of bytes required to hold bitmax bits.
//------------------------------------------------------------------
【讨论】：
"一些编译器会将除以 8 转换为移位" 世纪 编写的不这样做？ :)【参考方案10】：您可以使用std::bitset
int main()
const bitset<12> mask(2730ul);
cout << "mask = " << mask << endl;
bitset<12> x;
cout << "Enter a 12-bit bitset in binary: " << flush;
if (cin >> x)
cout << "x = " << x << endl;
cout << "As ulong: " << x.to_ulong() << endl;
cout << "And with mask: " << (x & mask) << endl;
cout << "Or with mask: " << (x | mask) << endl;
【讨论】：
你编译过这个吗？ bitset 是否支持按位与和或？ 你编译过这个吗？不，bitset 是否支持按位与和或？是的，有 operator& 和 operator|此处记录的重载sgi.com/tech/stl/bitset.html以上是关于C/C++ 高效位数组的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章