《C++Primer》第三章-标准库类型-学习笔记(2)

《C++Primer》第三章-标准库类型-学习笔记(2)

日志：
1，2020-02-29 笔者提交文章的初版V1.0

作者按：
最近在学习C++ primer，初步打算把所学的记录下来。

传送门/推广
《C++Primer》第二章-变量和基本类型-学习笔记(1)
《C++Primer》第二章-变量和基本类型-学习笔记(2)
《C++Primer》第二章-变量和基本类型-学习笔记(3)
上一篇
《C++Primer》第三章-标准库类型-学习笔记(1)

标准库 bitset

标准库提供的 bitset 类简化了位集的处理。.有些程序要处理二进制位的有序集，每个位可能包含 0（关）1（开）值。位是用来保存一组项或条件的 yes/no 信息（有时也称标志）的简洁方法。

bitset 对象的定义和初始化

bitset 的构造函数类似于 vector，bitset 类是一种类模板；而与 vector 不一样的是 bitset 类型对象的区别仅在其长度而不在其类型。在定义 bitset 时，要明确 bitset 含有多少位，须在尖括号内给出它的长度值：

bitset<32> bitvec; // 32 bits, all zero

给出的长度值必须是常量表达式。^[2][3]正如这里给出的，长度值值必须定义为整型字面值常量或是已用常量值初始化的整型的 const 对象。
这条语句把 bitvec 定义为含有 32 个位的 bitset 对象。和 vector 的元素一样，bitset 中的位是没有命名的，程序员只能按位置来访问。位集合的位置编号从 0 开始，因此，bitvec 的位序是从 0 到 31。以 0 位开始的位串是低阶位（low-order），以 31 位结束的位串是高阶位（high-order）

构造函数	效果
bitset< n > b;	b 有 n 位，每位都 0
bitset< n > b(u);	b 是 unsigned long 型 u 的一个副本
bitset< n > b(s);	b 是 string 对象 s 中含有的位串的副本
bitset< n > b(s, pos, n);	b 是 s 中从位置 pos 开始的 n 个位的副本。

表1. bitset 的构造函数

用unsigned 值初始化 bitset 对象

当用 unsigned long 值作为 bitset 对象的初始值时，该值将转化为二进制的位模式。而 bitset 对象中的位集作为这种位模式的副本。

• 如果 bitset 类型长度大于 unsigned long 值的二进制位数，则其余的高阶位将置为 0；
• 如果 bitset 类型长度小于 unsigned long 值的二进制位数，则只使用 unsigned 值中的低阶位，超过 bistset 类型长度的高阶位将被丢弃。

在 32 位 unsigned long 的机器上，十六进制值 0xffff 表示为二进制位就是十六个 1 和十六个 0（每个 0xf 可表示为 1111）。可以用 0xffff 初始化 bitset 对象：

// 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 0

用string 对象初始化 bitset 对象

当用 string 对象初始化 bitset 对象时，string 对象直接表示为位模式。
从 string 对象读入位集的顺序是从右向左（from right to left）：

string strval("1100");
bitset<32> bitvec4(strval); //初始化为00000000000000000000000000001100
//bitvec4 的位模式中第 2 和 3 的位置为 1，其余位置都为 0。如果 string 对
//象的字符个数小于 bitset 类型的长度，则高阶位置为 0。

string 对象和 bitsets 对象之间是反向转化的：string 对象的最右边字符（即下标最大的那个字符）用来初始化 bitset 对象的低阶位（即下标为 0 的位）。当用 string 对象初始化 bitset 对象时，记住这一差别很重要。
不一定要把整个 string 对象都作为 bitset 对象的初始值。相反，可以只用某个子串作为初始值：

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 4characters,省略第三个参数,意思是从右边复制到str.size() - 4位，这里是1101

这里用 str 从 str[5] 开始包含四个字符的子串来初始化 bitvec5。照常，初始化 bitset 对象时总是从子串最右边结尾字符开始的，bitvec5 的从 3 到 0 的二进制位置为 1100 ，其他二进制位都置为 0。如果省略第三个参数则意味着取从开始位置一直到 string 末尾的所有字符。本例中，取出 str 末尾的四位来对 bitvec6 的低四位进行初始化。bitvec6 其余的位初始化为 0。

bitset 对象上的操作

多种 bitset 操作用来测试或设置 bitset 对象中的单个或多个二进制位。

操作函数	效果
b.any()	b 中是否存在置为 1 的二进制位？ 返回值bool
b.none()	b 中不存在置为 1 的二进制位吗？返回值bool
b.count()	b 中置为 1 的二进制位的个数。返回类型是标准库中命名为 size_t 类型
b.size()	b 中二进制位的个数
b[pos]	访问 b 中在 pos 处二进制位
b.test(pos)	b 中在 pos 处的二进制位置为 1 么？
b.set()	把 b 中所有二进制位都置为 1
b.set(pos)	把 b 中在 pos 处的二进制位置为 1
b.reset()	把 b 中所有二进制位都置为 0
b.reset(pos)	把 b 中在 pos 处的二进制位置为 0
b.flip()	把 b 中所有二进制位逐位取反
b.flip(pos)	把 b 中在 pos 处的二进制位取反
b.to_ulong()	用 b 中同样的二进制位返回一个 unsigned long 值
os << b	把 b 中的位集输出到 os 流

测试整个 bitset 对象

如果 bitset 对象中有一个或几个二进制位置为 1，则 any 操作返回 true，也就是说，其返回值等于 1；相反，如果 bitset 对象中二进制位全为 0，则 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

如果需要知道置为 1 的二进制位的个数，可以使用 count 操作，该操作返回置为 1 的二进制位的个数：

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

count 操作的返回类型是标准库中命名为 size_t 类型。size_t 类型定义在 cstddef 头文件中，该文件是 C 标准库的头文件 stddef.h 的 C++ 版本。它是一个与机器相关的 unsigned 类型，其大小足以保证存储内在中对象的大小。

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

与 vector 和 string 中的 size 操作一样，bitset 的 size 操作返回 bitset 对象中二进制位的个数，返回值的类型是 size_t:：

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

访问 bitset 对象中的位

可以用下标操作符来读或写某个索引位置的二进制位，同样地，也可以用下标操作符测试给定二进制位的值或设置某个二进制们的值：

// assign 1 to even numbered bits 把 bitvec 中的偶数下标的位都置为 1。
for (int index = 0; index != 32; index += 2)
	bitvec[index] = 1;

用 set;、test 和 reset 操作来测试或设置给定二进制位的值：

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

为了测试某个二进制位是否为 1，可以用 test 操作或者测试下标操作符的返回值：

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

如果下标操作符测试的二进制位为 1，则返回的测试值的结果为 true，否则返回 false。

对整个bitset 对象进行设置

flip 操作可以对 bitset 对象的所有位或个别位取反：

bitvec.flip(0); // reverses value of first bit  取反第0位
bitvec[0].flip(); // also reverses the first bit  这个很值得记忆
bitvec.flip(); // reverses value of all bits

获取 bitset 对象的值

to_ulong 操作返回一个 unsigned long 值，该值与 bitset 对象的位模式存储值相同。仅当 bitset 类型的长度小于或等于 unsigned long 的长度时，才可以使用 to_ulong 操作：

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

to_ulong 操作主要用于把 bitset 对象转到 C 风格或标准 C++ 之前风格的程序上。如果 bitset 对象包含的二进制位数超过 unsigned long 长度，将会产生运行时异常。

输出二进制位

可以用输出操作符输出 bitset 对象中的位模式：

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

输出结果为：

bitvec2: 00000000000000001111111111111111

使用位操作符

bitset 类也支持内置的位操作符。C++ 定义的这些操作符都只适用于整型操作数，它们所提供的操作类似于本节所介绍的 bitset 操作。

参考资料

【1】C++ Primer 中文版（第四版·特别版）
【2】《C++Primer》第二章-变量和基本类型-学习笔记(3)

注解

【3】常量表达式（const experssion）：是指值不会改变，且在编译过程就能得到计算结果的表达式。字面量是常量表达式，一个通过常量表达式自我初始化的 const对象也是常量表达式。

本文许可证

本文遵循 CC BY-NC-SA 4.0（署名 - 非商业性使用 - 相同方式共享） 协议，转载请注明出处，不得用于商业目的。