C++之STL bitset

有些程序要處理二進制位的有序集，每個位可能包含的是0（關）或1（開）的值。位是用來保存一組項或條件的yes/no信息（有時也稱標誌）的簡潔方法。標準庫提供了bitset類使得處理位集合更容易一些。要使用bitset類就必須要包含相關的頭文件。在本書提供的例子中，假設都使用了std::bitset的using聲明：

#include <bitset>
using std::bitset;

1.bitset定義和初始化

          以下列出了bitset的構造函數：

bitset<n> b;            //b有n位，每位都爲0
bitset<n> b(u);             //b是unsigned long型u的一個副本
bitset<n> b(s);             //b是string對象s中含有的位串的副本
bitset<n> b(s, pos, n);     //b是s中從位置pos開始的n個位的副本

         類似於vector，bitset類是一種類模板；而與vector不一樣的是bitset類型對象的區別僅在其長度而不在其類型。在定義bitset時，要明確bitset含有多少位，須在尖括號內給出它的長度值：

bitset<32> bitvec; //32位，全爲0。

         給出的長度值必須是常量表達式。正如這裏給出的，長度值必須定義爲整型字面值常量或是已用常量值初始化的整數類型的const對象。
       這條語句把bitvec定義爲含有32個位的bitset對象。和vector的元素一樣，bitset中的位是沒有命名的，程序員只能按位置來訪問它們。位集合的位置編號從0開始，因此，bitvec的位序是從0到31。以0位開始的位串是低階位（low-order bit），以31位結束的位串是高階位(high-order bit)。

1.1用unsigned值初始化bitset對象

         當用unsigned long值作爲bitset對象的初始值時，該值將轉化爲二進制的位模式。而bitset對象中的位集作爲這種位模式的副本。如果bitset類型長度大於unsigned long值的二進制位數，則其餘的高階位置爲0；如果bitet類型長度小於unsigned long值的二進制位數，則只使用unsigned值中的低階位，超過bitet類型長度的高階位將被丟棄。
       在32位unsigned long的機器上，十六進制值0xffff表示爲二進制位就是十六個1和十六個0（每個0xf可表示爲1111）。可以用0xffff初始化bitset對象：

// bitvec1 is smaller than the initializer
bitset<16> bitvec1(0xffff);          // bits 0 ... 15 are set to 1
// bitvec2 same size as initializer
bitset<32> bitvec2(0xffff);          // bits 0 ... 15 are set to 1; 16 ... 31 are 0
// on a 32-bit machine, bits 0 to 31 initialized from 0xffff
bitset<128> bitvec3(0xffff);         // bits 32 through 127 initialized to zero

         上面的三個例子中，0到15位都置爲1。由於bitvec1位數少於unsigned long的位數，因此bitvec1的初始值的高階位被丟棄。bitvec2和unsigned long長度相同，因此所有位正好放置了初始值。bitvec3長度大於32，31位以上的高階位就被置爲0。

1.2用string對象初始化bitset對象

         當用string對象初始化bitset對象時，string對象直接表示爲位模式。從string對象讀入位集的順序是從右向左：

string strval("1100");
bitset<32> bitvec4(strval);

         bitvec4的位模式中第2和3的位置爲1，其餘位置都爲0。如果string對象的字符個數小於bitset類型的長度，則高階位將置爲0。
       string對象和bitset對象之間是反向轉化的：string對象的最右邊字符（即下標最大的那個字符）用來初始化bitset對象的低階位（即下標爲0的位）。當用string對象初始化bitset對象時，記住這一差別很重要。
       不一定要把整個string對象都作爲bitset對象的初始值。相反，可以只用某個子串作爲初始值：

string str("1111111000000011001101");
bitset<32> bitvec5(str, 5, 4); // 4 bits starting at str[5], 1100
bitset<32> bitvec6(str, str.size() - 4);     // use last 4 characters

          這裏用str中從str[5]開始包含四個字符的子串來初始化bitvec5。照常，初始化bitset對象時總是從子串最右邊結尾字符開始的，bitvec5的從0到3的二進制位置爲1100，其他二進制位都置爲0。如果省略第三個參數則意味着取從開始位置一直到string末尾的所有字符。本例中，取出str末尾的四位來對bitvec6的低四位進行初始化。bitvec6其餘的位初始化爲0。這些初始化過程的圖示如下：

2.bitset的上的操作

          多種bitset操作用來測試或設置bitset對象中的單個或多個二進制位：

2.1測試整個bitset對象

           如果bitset對象中有一個或多個二進制位置爲1，則any操作返回true，也就是說，其返回值等於1;相反，如果bitset對象中的二進制位全爲0,則none操作返回true。

bitset<32> bitvec; // 32 bits, all zero
bool is_set = bitvec.any();            // false, all bits are zero
bool is_not_set = bitvec.none();      // true, all bits are zero

          如果需要知道置爲1的二進制位的個數，可以使用count操作，該操作返回置爲1的二進制位的個數：

size_t bits_set = bitvec.count(); // returns number of bits that are on

          count操作的返回類型是標準庫中命名爲size_t的類型。size_t類型定義在cstddef頭文件中，該文件是C標準庫的頭文件stddef.h的C++版本。它是一個與機器相關的unsigned類型，大小可以保證存儲內存中對象。
        與vector和string中的size操作一樣，bitset的size操作返回bitset對象中二進制位的個數，返回值的類型是size_t:

size_t sz = bitvec.size(); // returns 32

2.2訪問bitset對象中的位

          可以用下標操作符來讀或寫某個索引位置的二進制位，同樣地，也可以用下標操作符測試給定二進制位的值或設置某個二進制位的值：

// assign 1 to even numbered bits
for (int index = 0; index != 32; index += 2)
    bitvec[index] = 1;

         上面的循環把bitvec中的偶數下標的位都置爲1。
       除了用下標操作符，還可以用set、test和reset操作來測試或設置給定二進制位的值：

// equivalent loop using set operation
for (int index = 0; index != 32; index += 2)
    bitvec.set(index);

         爲了測試某個二進制位是否爲1，可以用test操作或者測試下標操作符的返回值：

if (bitvec.test(i))
    // bitvec[i] is on
// equivalent test using subscript
if (bitvec[i])
    // bitvec[i] is on

           如果下標操作符測試的二進制位爲1，則返回的測試值的結果爲true，否則返回false。

2.3對整個bitset對象進行設置

          set和reset操作分別用來對整個bitset對象的所有二進制位全置1和全置0：

bitvec.reset();    // set all the bits to 0.
bitvec.set();      // set all the bits to 1

          flip操作可以對bitset對象的所有位或個別位按位取反：

bitvec.flip(0);   // reverses value of first bit
bitvec[0].flip(); // also reverses the first bit
bitvec.flip();    // reverses value of all bits

2.4獲取bitset對象的值

          to_ulong操作返回一個unsigned long值，該值與bitset對象的位模式存儲值相同。僅當bitset類型的長度小於或等於unsigned long的長度時，纔可以使用to_ulong操作：

unsigned long ulong = bitvec3.to_ulong();
cout << "ulong = " << ulong << endl;

           to_ulong操作主要用於把bitset對象轉到C風格或標準C++之前風格的程序上。如果bitset對象包含的二進制位數超過unsigned long的長度，將會產生運行時異常。

2.5輸出二進制位

           可以用輸出操作符輸出bitset對象中的位模式：

bitset<32> bitvec2(0xffff); // bits 0 ... 15 are set to 1; 16 ... 31 are 0
cout << "bitvec2: " << bitvec2 << endl;

           輸出結果爲：

bitvec2: 00000000000000001111111111111111

2.6使用位操作符

          bitset類也支持內置的位操作符。C++定義的這些操作符都只適用於整型操作數，它們所提供的操作類似於本節所介紹的bitset操作。

3.程序實例

#include <iostream>
#include <bitset>
using namespace std;

int main(){
    //bitset 使用整數初始化bitset
    bitset<3> bs(7);
    //輸出bs各個位的值
    cout<<"bs[0] is "<<bs[0]<<endl;
    cout<<"bs[1] is "<<bs[1]<<endl;
    cout<<"bs[2] is "<<bs[2]<<endl;
    //下面的語句會拋出outofindexexception
    //cout<<"bs[3] is "<<bs[3]<<endl;

    //使用字符串初始化bitset
    //注意：使用string初始化時從右向左處理，如下初始化的各個位的值將是110，而非011
    string strVal("011");
    bitset<3> bs1(strVal);
    //輸出各位
    cout<<"bs1[0] is "<<bs1[0]<<endl;
    cout<<"bs1[1] is "<<bs1[1]<<endl;
    cout<<"bs1[2] is "<<bs1[2]<<endl;
    //cout輸出時也是從右邊向左邊輸出
    cout<<bs1<<endl;

    //bitset的方法
    //any()方法如果有一位爲1，則返回1
    cout<<"bs1.any() = "<<bs1.any()<<endl;

    //none()方法，如果有一個爲1none則返回0，如果全爲0則返回1
    bitset<3> bsNone;
    cout<<"bsNone.none() = " <<bsNone.none()<<endl;

    //count()返回幾個位爲1
    cout<<"bs1.count() = "<<bs1.count()<<endl;

    //size()返回位數
    cout<<"bs1.size() = "<<bs1.size()<<endl;

    //test()返回某一位是否爲1
    //flip()諸位取反
    bitset<3> bsFlip = bs1.flip();
    cout<<"bsFlip = "<<bsFlip<<endl;

    //to_ulong
    unsigned long val = bs1.to_ulong();
    cout<<val;
}