Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

Указанные выше размеры являются типичными, но в разных реализациях они могут быть разными, поэтому в каждом конкретном случае следует провести тестирование. Кроме того, в стандартных библиотеках есть свои средства для работы с битами.

• std::vector — при необходимости иметь больше, чем 8* sizeof(long) битов.

• std::bitset — при необходимости иметь больше, чем 8* sizeof(long) битов.

• std::set — неупорядоченная коллекция именованных битов (см. раздел 21.6.5).

• Файл: много битов (раздел 25.5.6).

Более того, для представления битов можно использовать два средства языка С++.

• Перечисления (enum); см. раздел 9.5.

• Битовые поля; см. раздел 25.5.5.

  Это разнообразие способов представления битов объясняется тем, что в конечном счете все, что существует в компьютерной памяти, представляет собой набор битов, поэтому люди испытывают необходимость иметь разные способы их просмотра, именования и выполнения операций над ними. Обратите внимание на то, что все встроенные средства работают с фиксированным количеством битов (например, 8, 16, 32 и 64), чтобы компьютер мог выполнять логические операции над ними с оптимальной скоростью, используя операции, непосредственно обеспечиваемые аппаратным обеспечением. В противоположность им средства стандартной библиотеки позволяют работать с произвольным количеством битов. Это может ограничивать производительность, но не следует беспокоиться об этом заранее: библиотечные средства могут быть — и часто бывают — оптимизированными, если количество выбранных вами битов соответствует требованиям аппаратного обеспечения.

Рассмотрим сначала целые числа. Для них в языке C++ предусмотрены побитовые логические операции, непосредственно реализуемые аппаратным обеспечением. Эти операции применяются к каждому биту своих операндов.

Вам может показаться странным то, что в число фундаментальных операций мы включили “исключительное или” (^, которую иногда называют “xor”). Однако эта операция играет важную роль во многих графических и криптографических программах. Компилятор никогда не перепутает побитовый логический оператор << с оператором вывода, а вы можете. Для того чтобы этого не случалось, помните, что левым операндом оператора вывода является объект класса ostream, а левым операндом логического оператора — целое число.

Следует подчеркнуть, что оператор & отличается от оператора &&, а оператор | отличается от оператора || тем, что они применяются к каждому биту своих операндов по отдельности (раздел A.5.5), а их результат состоит из такого же количества битов, что и операнды. В противоположность этому операторы && и || просто возвращают значение true или false.

Рассмотрим несколько примеров. Обычно битовые комбинации выражаются в шестнадцатеричном виде. Для полубайта (четыре бита) используются следующие коды.

Для представления чисел, не превышающих девяти, можно было бы просто использовать десятичные цифры, но шестнадцатеричное представление позволяет не забывать, что мы работаем с битовыми комбинациями. Для байтов и слов шестнадцатеричное представление становится действительно полезным. Биты, входящие в состав байта, можно выразить с помощью двух шестнадцатеричных цифр.

Итак, используя для простоты тип unsigned (раздел 25.5.3), можем написать следующий фрагмент кода:

unsigned char a = 0xaa;

unsigned char x0 = ~a; // дополнение a

unsigned char b = 0x0f;

unsigned char x1 = a&b // a и b

unsigned char x2 = a^b; // исключительное или: a xor b

unsigned char x3 = a<<1; // сдвиг влево на один разряд

Вместо бита, который был “вытолкнут” с самой старшей позиции, в самой младшей позиции появляется нуль, так что байт остается заполненным, а крайний левый бит (седьмой) просто исчезает.

unsigned char x4 == a>>2; // сдвиг вправо на два разряда

В двух позициях старших битов появились нули, которые обеспечивают заполнение байта, а крайние правые биты (первый и нулевой) просто исчезают.

Мы можем написать много битовых комбинаций и потренироваться в выполнении операций над ними, но это занятие скоро наскучит. Рассмотрим маленькую программу, переводящую целые числа в их битовое представление.

int main

{

  int i;

  while (cin>>i)

    cout << dec << i << "=="

         << hex << "0x" << i << "=="

         << bitset<8*sizeof(int)>(i) << '\n';

}

Для того чтобы вывести на печать отдельные биты целого числа, используется класс bitset из стандартной библиотеки.

bitset<8*sizeof(int)>(i)

Класс bitset хранит фиксированное количество битов. В данном случае мы использовали количество битов, равное размеру типа int — 8*sizeof(int), — и инициализировали объект класса bitset целым числом i.