C++库中的BitSet用法详解及源码介绍

  (1) bitset数据结构体定义 
 bitset定义在对应的bitset.h头文件内，结构如下： typedef struct {  size_t *bits;  size_t nbits; } bitset; 
字段bits类似于记录保存比特的数组（通过一连串的size_t类型存储空间），而nbits记录该数组内的比特元素数目。  为了更好的理解这个结构体的字段元素，只要看其对应的初始化函数bitset_init就行了。在该函数内，传入的参数nbits表示初始化分配的bit元素个数，而对于bits指向的空间分配必须是size_t类型的整数倍（size_t 是为了方便系统之间的移植而定义的，在32位系统上 定义为 unsigned int，在64位系统上 定义为 unsigned long，更准确地说法是 在 32位系统上是32位无符号整形，在 64位系统上是64位无符号整形，size_t一般用来表示一种计数，比如有多少东西被拷贝等。）因此BITSET_USED宏就是起这个（计算nbits是size_t类型长度的多少整数倍）作用。BITSET_USED宏内涉及到的另外一个宏BITSET_BITS用于计算size_t类型长度（CHAR_BIT定义在/usr/include/limits.h头文件内，例如为“# define CHAR_BIT 8”，表示一个字节有多少比特）。  举个例子，如下图所示（在32位机器上），当参数nbits为25时，虽然25小于一个size_t类型长度（32），但仍需分配一个size_t类型长度的内存空间。 
 
（2） bitset数据结构体操作 
几个函数都比较简单，倒是几个宏值得注意，下面列出各函数和宏的功能： bitset_reset函数功能：将比特元素全部重置为0。 bitset_free函数功能：释放结构体。 
bitset_clear_bit函数功能：设置某位比特元素为0。 bitset_set_bit函数功能：设置某位比特元素为1。 
bitset_test_bit函数功能：测试某位比特元素是否为1，为1返回真（1），为0返回假（0）。  
宏BITSET_MASK： 获得某位为1的mask码 
比如第0位为1的mask码:0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 比如第3位为1的mask码:0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 pos从0开始 
#define BITSET_MASK(pos) \ 

 ( ((size_t)1) << ((pos) % BITSET_BITS) )  
宏BITSET_WORD： 

根据pos获取在set中占到的对应size_t元素 #define BITSET_WORD(set, pos) \  ( (set)->bits[(pos) / BITSET_BITS] ) 

l 问题的提出

欲编程控制城市道路交通信号灯。每个信号灯一般有红、绿、黄三种灯色。如果用1表示灯亮，0表示灯灭，那么某时刻，信号灯的状态可以用三个0、1二进制位记录，要改变某个灯的状态，只需改变相应位的0、1值即可，换句话，即针对某个位的位操作。（一般高级语言处理数据的最小单位只能是字节）

l 应用

（1）控制硬件时，常涉及到打开/关闭特定的位或查看它们的状态。

（2）当一组信息中的每个元素只有两种状态时，使用位操作。比如，一个信号灯就是一组0、1信息集，三个灯色即三个元素，每个元素（每个灯）只有0和1两种状态。

l 实现方法

两种：直接位操作（从C语言继承而来）；使用标准库提供的bitset类型操作。

（1）   位操作符（6个：表1）

表1 位操作符

操作符	~	<<	>>	&	^	|
功能	按位求反	左移	右移	按位与	按位异或	按位或

注意：位操作时，要考虑其他位的状态。

1） 按位与（&）

功能：将两个操作数对应的每一位分别进行逻辑与操作，比如：3&5：00000001（先将3和5转换为二进制形式，然后按位与）

应用：可以将操作数中的若干位置0（其他位不变），或者取操作数中的若干指定位。

Exa1:将char型变量a的最低位置0。

a=a&0376

Exa2:假设c是char型变量，a是int变量，下列语句可取出a的低字节，存入c中。

c=a&0377

2） 按位或（|）

功能：将两个操作数对应的每一位分别进行逻辑与操作或操作，比如：3|5：00000111

应用：可以将操作数中的若干位置1（其他位不变）。

Exa3：将int型变量a的低字节置1。

a=a|0xff

3） 按位异或（^）

功能：将两个操作数对应的每一位分别进行异或，规则：对应位相同，运算结果为0；对应位不同，运算结果为1。

应用：将操作数中的若干指定位翻转。如果使某位与0异或，结果是该位的原值；如果使某位与1异或，结果与该位原来的值相反。例如：要使01111010低四位翻转，可以与00001111进行异或。

4）其他位操作运算符参考相关文献。

Exa4：某时刻信号交叉口信号灯状态模拟。

思路：信号灯三种灯色二进制编码为（只需3位）：100（红灯亮，八进制形式为04）、010（绿灯亮，八进制形式为02）、001（黄灯亮，八进制形式为01），再增加一位表示方向，1表示东西向，0表示南北向。计算机基本存储单位为字节，所以用一个字节（8位）来存储信号灯状态。从低位起3至1位，对应红、绿、黄三种灯色，第4位表示方向。数据结构如下（只用低4位）：

控制方向

红灯

绿灯

黄灯

 

实现：用变量trafficLight表示信号灯状态值（8位），如果想让某方向信号灯绿灯亮，基本步骤：先让第4位值不变（方向不变），其他位都为0（和1000进行与操作）；然后让绿灯位为1（和010进行或操作）。

#include

using namespace std;

int main()

{

    unsigned inttrafficLight=014;//注意：前缀0表示该数据为八进制形式（二进制：00001100），当前值为东西向红灯亮

   unsigned int bit1=010;//010为1000的八进制形式

   unsigned int bit2=02;//02为二进制010的八进制形式

   trafficLight=trafficLight&bit1;//信号灯当前值与1000进行与操作，保持第4位值不变（方向不变），其他灯色位为0

   trafficLight=trafficLight|bit2;//绿灯位为1，其他位不变

   cout<<"信号灯当前状态为:"<

   system("pause");

   return 0;

}

注意：对于位操作符，由于系统不能确保如何处理其操作数的符号位，所以强烈建议使用无符号整型操作数。

（2）   使用标准库提供的bitset类型

Exa5：假设某班有30个学生，计算机老师做了一次测试，只有及格和不及格两种成绩，对每个学生用一个二进制位来记录成绩及格或不及格。（为调试方便，将学生数该为5）

分析：由于学生人数较多，当需要修改或查看第27位同学的成绩时，使用位操作相当麻烦。

#include

#include     //首先包含bitset标准库

using namespace std;

int main()

{

    bitset<5> score;

  unsigned int i=0;

  cout<<"pleaseinput pass num:";//

  while(cin>>i &&i!=5)

  score.set(i);

  cout<

  //system("pause");

  return 0;

}

注意：一般而言，标准库提供的bitset操作更直接、更容易阅读和书写。而且，bieset对象的大小不受unsigned数的位数限制。通常来说，bitset优于整型数据的低级直接位操作。

补充：标准库bitset类型

要使用bitset类，必须包含相关的头文件。

#include

然后，定义bitset对象且初始化，最后执行相应的操作。

l bitset对象的定义和初始化

格式1：bitset<30> student;

30个二进制位，下标从0开始，初值全为0，student为对象名（变量名），其中，30和student两个参数用户可以改。

格式2：bitset<32> student2(0xffff);

0xffff为十六进制数，0至15位值为1，16至31位值为0。其中，32、student2和0xffff三个参数用户可以改。

注意：bitset类的缺点，不能动态调整长度。（若需动态调整，可使用vector类）

l  bitset对象上的操作

操作	功能
b.any()	b中是否存在置为1的二进制位？  返回值为bool类型（true,false）
b.none()	b中不存在置为1的二进制位吗？  返回值为bool类型
b.count()	b中是置为1的二进制位位数
b.size()	b中二进制位的个数
b[n]	访问b中第n位
b.test(n)	b中第n位是否为1               返回值为bool类型
b.set()	把b中所有位都置为1
b.set(n)	把b中第n位置为1
b.reset()	把b中所有位都置为0
b.reset(n)	把b中第n位置为0
b.flip()	把b中所有位按位取反
b.flip(n)	把b中第n位取反