O.1 — 位标志和通过 std::bitset 进行位操作

在现代计算机架构中，最小的可寻址内存单位是字节。由于所有对象都需要有唯一的内存地址，这意味着对象的大小必须至少为一字节。对于大多数变量类型来说，这没问题。然而，对于布尔值来说，这有点浪费（双关语）。布尔类型只有两种状态：真（1）或假（0）。这组状态只需要一个位来存储。但是，如果一个变量必须至少为一字节，而一个字节是 8 位，这意味着一个布尔值使用 1 位，而将其余 7 位未使用。

在大多数情况下，这没问题——我们通常不会因为内存紧缺到需要关心浪费 7 位（我们最好优化可理解性和可维护性）。然而，在某些存储密集型情况下，为了存储效率，将 8 个独立的布尔值“打包”到一个字节中可能很有用。

做这些事情需要我们能够进行位级别的操作。幸运的是，C++ 提供了工具来精确地完成这项任务。修改对象中的单个位称为位操作。

位标志

到目前为止，我们使用变量来存储单个值。

int foo { 5 }; // assign foo the value 5 (probably uses 32 bits of storage)
std::cout << foo; // print the value 5

然而，我们不将对象视为存储单个值，而是将对象中的每个位视为一个独立的布尔值。当对象的单个位用作布尔值时，这些位称为位标志。

为了定义一组位标志，我们通常会使用适当大小的无符号整数（8 位、16 位、32 位等……取决于我们有多少个标志），或者 std::bitset。

#include <bitset> // for std::bitset

std::bitset<8> mybitset {}; // 8 bits in size means room for 8 flags

在本课中，我们将展示如何通过 std::bitset 轻松进行位操作。在接下来的几课中，我们将探讨如何以更困难但更通用的方式进行操作。

位编号和位位置

给定一个位序列，我们通常从右到左对位进行编号，从 0 开始（而不是 1）。每个数字表示一个位位置。

76543210  Bit position
00000101  Bit sequence

给定位序列 0000 0101，位于位置 0 和 2 的位的值为 1，其他位的值为 0。

通过 std::bitset 操作位

在课程 5.3 -- 数值系统（十进制、二进制、十六进制和八进制）中，我们已经展示了如何使用 std::bitset 以二进制形式打印值。然而，这并不是 std::bitset 唯一有用的功能。

std::bitset 提供了 4 个用于位操作的关键成员函数：

• test() 允许我们查询一个位是 0 还是 1。
• set() 允许我们打开一个位（如果位已打开，则不执行任何操作）。
• reset() 允许我们关闭一个位（如果位已关闭，则不执行任何操作）。
• flip() 允许我们将位值从 0 翻转到 1，反之亦然。

这些函数都将我们想要操作的位的位置作为其唯一参数。

这是一个例子

#include <bitset>
#include <iostream>

int main()
{
    std::bitset<8> bits{ 0b0000'0101 }; // we need 8 bits, start with bit pattern 0000 0101
    bits.set(3);   // set bit position 3 to 1 (now we have 0000 1101)
    bits.flip(4);  // flip bit 4 (now we have 0001 1101)
    bits.reset(4); // set bit 4 back to 0 (now we have 0000 1101)

    std::cout << "All the bits: " << bits<< '\n';
    std::cout << "Bit 3 has value: " << bits.test(3) << '\n';
    std::cout << "Bit 4 has value: " << bits.test(4) << '\n';

    return 0;
}

这会打印

All the bits: 00001101
Bit 3 has value: 1
Bit 4 has value: 0

给我们的位命名可以帮助我们的代码更具可读性

#include <bitset>
#include <iostream>

int main()
{
    [[maybe_unused]] constexpr int  isHungry   { 0 };
    [[maybe_unused]] constexpr int  isSad      { 1 };
    [[maybe_unused]] constexpr int  isMad      { 2 };
    [[maybe_unused]] constexpr int  isHappy    { 3 };
    [[maybe_unused]] constexpr int  isLaughing { 4 };
    [[maybe_unused]] constexpr int  isAsleep   { 5 };
    [[maybe_unused]] constexpr int  isDead     { 6 };
    [[maybe_unused]] constexpr int  isCrying   { 7 };

    std::bitset<8> me{ 0b0000'0101 }; // we need 8 bits, start with bit pattern 0000 0101
    me.set(isHappy);      // set bit position 3 to 1 (now we have 0000 1101)
    me.flip(isLaughing);  // flip bit 4 (now we have 0001 1101)
    me.reset(isLaughing); // set bit 4 back to 0 (now we have 0000 1101)

    std::cout << "All the bits: " << me << '\n';
    std::cout << "I am happy: " << me.test(isHappy) << '\n';
    std::cout << "I am laughing: " << me.test(isLaughing) << '\n';

    return 0;
}

如果我们想一次性获取或设置多个位怎么办？

std::bitset 并没有使这变得容易。为了做到这一点，或者如果我们要使用无符号整数位标志而不是 std::bitset，我们需要转向更传统的方法。我们将在接下来的几课中介绍这些方法。

std::bitset 的大小

一个潜在的惊喜是 std::bitset 针对速度进行了优化，而不是内存节省。std::bitset 的大小通常是存储这些位所需的字节数，并向上舍入到最接近的 sizeof(size_t)，在 32 位机器上是 4 字节，在 64 位机器上是 8 字节。

因此，一个 std::bitset<8> 通常会使用 4 或 8 字节的内存，尽管它技术上只需要 1 字节来存储 8 位。因此，std::bitset 在我们追求便利而不是内存节省时最有用。

查询 std::bitset

还有一些其他成员函数也很有用：

• size() 返回位集中位的数量。
• count() 返回位集中设置为 true 的位的数量。
• all() 返回一个布尔值，指示所有位是否都设置为 true。
• any() 返回一个布尔值，指示是否有任何位设置为 true。
• none() 返回一个布尔值，指示是否没有位设置为 true。

#include <bitset>
#include <iostream>

int main()
{
    std::bitset<8> bits{ 0b0000'1101 };
    std::cout << bits.size() << " bits are in the bitset\n";
    std::cout << bits.count() << " bits are set to true\n";

    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << "All bits are true: " << bits.all() << '\n';
    std::cout << "Some bits are true: " << bits.any() << '\n';
    std::cout << "No bits are true: " << bits.none() << '\n';
    
    return 0;
}

这会打印

8 bits are in the bitset
3 bits are set to true
All bits are true: false
Some bits are true: true
No bits are true: false