C++ 标准库 `<bitset>`

在 C++ 编程中，<bitset> 是标准库的一部分，它提供了一种方式来操作固定大小的位集合。

位集合是一个由位（bit）组成的数组，每个位可以是 0 或 1。

<bitset> 提供了一种高效的方式来存储和操作二进制数据，特别适合需要位级操作的场景，如标志位管理、位掩码操作等。

bitset 是一个模板类，其模板参数定义了位集合的大小。例如，bitset<32> 表示一个包含 32 位的位集合。

语法

以下是使用 bitset 的基本语法：

#include <bitset>

// 声明一个大小为N的bitset
std::bitset<N> b;

// 初始化bitset
b = std::bitset<N>(value);

// 访问位集合中的单个位
bool bit = b[i];

std::bitset 的基本用法

std::bitset 是一个模板类，用于表示固定大小的二进制位序列。它的模板参数是位数（N），表示二进制序列的长度。

定义 std::bitset：

std::bitset<8> bits;  // 定义一个 8 位的二进制序列

初始化 std::bitset：

默认初始化：所有位为 0。
从整数初始化：将整数转换为二进制。
从字符串初始化：将字符串解析为二进制。

实例

std::bitset<8> bits1; // 默认初始化：00000000
std::bitset<8> bits2(42); // 从整数初始化：00101010
std::bitset<8> bits3("10101010"); // 从字符串初始化：10101010

常用成员函数

std::bitset 提供了丰富的成员函数来操作二进制位。

访问和修改位:

operator[]：访问或修改某一位。
set()：将某一位或所有位设置为 1。
reset()：将某一位或所有位设置为 0。
flip()：翻转某一位或所有位。

实例

std::bitset<8> bits("00001111");
bits[0] = 1; // 修改第 0 位：00001111 -> 00001111
bits.set(4); // 设置第 4 位：00001111 -> 00011111
bits.reset(1); // 重置第 1 位：00011111 -> 00011101
bits.flip(); // 翻转所有位：00011101 -> 11100010

查询位信息:

count()：返回 1 的个数。
size()：返回位数。
test(pos)：检查某一位是否为 1。
all()：检查是否所有位都为 1。
any()：检查是否有任何一位为 1。
none()：检查是否所有位都为 0。

实例

std::bitset<8> bits("10101010");
std::cout << "Count of 1s: " << bits.count() << std::endl; // 输出 4
std::cout << "Size: " << bits.size() << std::endl; // 输出 8
std::cout << "Is bit 3 set? " << bits.test(3) << std::endl; // 输出 1 (true)
std::cout << "All bits set? " << bits.all() << std::endl; // 输出 0 (false)

转换为其他类型:

to_ulong()：将 std::bitset 转换为 unsigned long。
to_ullong()：将 std::bitset 转换为 unsigned long long。
to_string()：将 std::bitset 转换为字符串。

实例

std::bitset<8> bits("10101010");
unsigned long num = bits.to_ulong(); // 转换为整数：170
std::string str = bits.to_string(); // 转换为字符串："10101010"

位操作

std::bitset 支持常见的位操作，如按位与、按位或、按位异或和按位取反。

&：按位与
|：按位或
^：按位异或
~：按位取反

实例

std::bitset<8> bits1("10101010");
std::bitset<8> bits2("11110000");

std::bitset<8> result_and = bits1 & bits2; // 按位与：10100000
std::bitset<8> result_or = bits1 | bits2; // 按位或：11111010
std::bitset<8> result_xor = bits1 ^ bits2; // 按位异或：01011010
std::bitset<8> result_not = ~bits1; // 按位取反：01010101

实例

基本使用:

实例

#include <iostream>
#include <bitset>

int main() {
std::bitset<8> b("11001010"); // 从字符串初始化
std::cout << "Initial bitset: " << b << std::endl;

// 访问特定位置的位
std::cout << "Bit at position 3: " << b[3] << std::endl;

// 修改位
b[3] = 1;
std::cout << "Modified bitset: " << b << std::endl;

// 翻转位
b.flip();
std::cout << "Flipped bitset: " << b << std::endl;

return 0;
}

输出结果：

Initial bitset: 11001010
Bit at position 3: 0
Modified bitset: 11001011
Flipped bitset: 00110110

位操作:

实例

#include <iostream>
#include <bitset>

int main() {
std::bitset<8> b1("10101010");
std::bitset<8> b2("11110000");

// 位与操作
std::bitset<8> b_and = b1 & b2;
std::cout << "Bitwise AND: " << b_and << std::endl;

// 位或操作
std::bitset<8> b_or = b1 | b2;
std::cout << "Bitwise OR: " << b_or << std::endl;

// 位异或操作
std::bitset<8> b_xor = b1 ^ b2;
std::cout << "Bitwise XOR: " << b_xor << std::endl;

// 位非操作
std::bitset<8> b_not = ~b1;
std::cout << "Bitwise NOT: " << b_not << std::endl;

return 0;
}

输出结果：

Bitwise AND: 10100000
Bitwise OR: 11111010
Bitwise XOR: 01111010
Bitwise NOT: 01010101

循环遍历位集合:

实例

#include <iostream>
#include <bitset>

int main() {
std::bitset<8> b("10101010");

// 循环遍历bitset中的位
for (size_t i = 0; i < b.size(); ++i) {
std::cout << b[i];
}
std::cout << std::endl;

return 0;
}

输出结果：

10101010

bitset 是C++标准库中一个非常有用的工具，它允许程序员以一种直观和高效的方式处理位级数据。通过上述实例，我们可以看到如何声明、初始化、访问、修改以及进行位操作。这些功能在处理二进制数据或需要进行位级控制的场合非常有用。

注意事项

std::bitset 的大小是固定的，在编译时确定。
如果位数超过 unsigned long 或 unsigned long long 的位数，to_ulong() 和 to_ullong() 会抛出 std::overflow_error 异常。
std::bitset 不支持动态调整大小，如果需要动态位集，可以考虑 std::vector<bool>。

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常用成员函数

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