- C#高级编程（第10版） C# 6 & .NET Core 1.0 （.NET开发经典名著）
- (美)Christian Nagel
- 2024字
- 2025-02-18 01:50:00
12.2 处理位
如果需要处理的数字有许多位，就可以使用BitArray类和BitVector32结构。BitArray类位于名称空间System.Collections中，BitVector32结构位于名称空间System.Collections.Specialized中。这两种类型最重要的区别是，BitArray类可以重新设置大小，如果事先不知道需要的位数，就可以使用BitArray类，它可以包含非常多的位。BitVector32结构是基于栈的，因此比较快。BitVector32结构仅包含32位，它们存储在一个整数中。
12.2.1 BitArray类
BitArray类是一个引用类型，它包含一个int数组，其中每32位使用一个新整数。这个类的成员如表12-1所示。
表12-1
辅助方法DisplayBits()遍历BitArray，根据位的设置情况，在控制台上显示1或0(代码文件BitArraySample/Program.cs)：
public static void DisplayBits(BitArray bits)
{
foreach (bool bit in bits)
{
Write(bit ? 1: 0);
}
}
BitArraySample使用如下依赖项和名称空间：
依赖项：
NETStandard.Library
名称空间：
System
System.Collections
static System.Console
说明BitArray类的示例创建了一个包含8位的数组，其索引是0~7。SetAll()方法把这8位都设置为true。接着Set()方法把对应于1的位设置为false。除了Set()方法之外，还可以使用索引器，例如，下面的第5个和第7个索引：
var bits1 = new BitArray(8);
bits1.SetAll(true);
bits1.Set(1, false);
bits1[5] = false;
bits1[7] = false;
Write("initialized: ");
DisplayBits(bits1);
WriteLine();
这是初始化位的显示结果：
initialized: 10111010
Not()方法会对BitArray类的位取反：
Write(" not ");
DisplayBits(bits1);
bits1.Not();
Write(" = ");
DisplayBits(bits1);
WriteLine();
Not()方法的结果是对所有的位取反。如果某位是true，则执行Not()方法的结果就是false，反之亦然。
not 10111010 = 01000101
这里创建了一个新的BitArray类。在构造函数中，因为使用变量bits1初始化数组，所以新数组与旧数组有相同的值。接着把第0、1和4位的值设置为不同的值。在使用Or()方法之前，显示位数组bits1和bits2。Or()方法将改变bits1的值：
var bits2 = new BitArray(bits1);
bits2[0] = true;
bits2[1] = false;
bits2[4] = true;
DisplayBits(bits1);
Write(" or ");
DisplayBits(bits2);
Write(" = ");
bits1.Or(bits2);
DisplayBits(bits1);
WriteLine();
使用Or()方法时，从两个输入数组中提取设置位。结果是，如果某位在第一个或第二个数组中设置为true，该位在执行Or()方法后就是true：
01000101 or 10001101 = 11001101
下面使用And()方法作用于位数组bits1和bits2：
DisplayBits(bits2);
Write(" and ");
DisplayBits(bits1);
Write(" = ");
bits2.And(bits1);
DisplayBits(bits2);
WriteLine();
And()方法只把在两个输入数组中都设置为true的位设置为true：
10001101 and 11001101 = 10001101
最后使用Xor()方法进行异或操作：
DisplayBits(bits1);
Write(" xor ");
DisplayBits(bits2);
bits1.Xor(bits2);
Write(" = ");
DisplayBits(bits1);
WriteLine();
使用Xor()方法，只有一个(不能是两个)输入数组的位设置为1，结果位才是1。
11001101 xor 10001101 = 01000000
12.2.2 BitVector32结构
如果事先知道需要的位数，就可以使用BitVector32结构替代BitArray类。BitVector32结构效率较高，因为它是一个值类型，在整数栈上存储位。一个整数可以存储32位。如果需要更多的位，就可以使用多个BitVector32值或BitArray类。BitArray类可以根据需要增大，但BitVector32结构不能。
表12-2列出了BitVector32结构中与BitArray类完全不同的成员。
表12-2
BitVectorSample使用如下依赖项和名称空间：
依赖项：
NETStandard.Library
System.Collections.Specialized
名称空间：
System.Collections.Specialized
System.Text
static System.Console
示例代码用默认构造函数创建了一个BitVector32结构，其中所有的32位都初始化为false。接着创建掩码，以访问位矢量中的位。对CreateMask()方法的第一个调用创建了用来访问第一位的一个掩码。调用CreateMask()方法后，bit1被设置为1。再次调用CreateMask()方法，把第一个掩码作为参数传递给CreateMask()方法，返回用来访问第二位(它是2)的一个掩码。接着，将bit3设置为4，以访问位编号3。bit4的值是8，以访问位编号4。
然后，使用掩码和索引器访问位矢量中的位，并相应地设置字段(代码文件BitArraySample/Program.cs)：
var bits1 = new BitVector32();
int bit1 = BitVector32.CreateMask();
int bit2 = BitVector32.CreateMask(bit1);
int bit3 = BitVector32.CreateMask(bit2);
int bit4 = BitVector32.CreateMask(bit3);
int bit5 = BitVector32.CreateMask(bit4);
bits1[bit1] = true;
bits1[bit2] = false;
bits1[bit3] = true;
bits1[bit4] = true;
bits1[bit5] = true;
WriteLine(bits1);
BitVector32结构有一个重写的ToString()方法，它不仅显示类名，还显示1或0，来说明位是否设置了，如下所示：
BitVector32{00000000000000000000000000011101}
除了用CreateMask()方法创建掩码之外，还可以自己定义掩码，也可以一次设置多位。十六进制值abcdef与二进制值101010111100110111101111相同。用这个值定义的所有位都设置了：
bits1[0xabcdef] = true;
WriteLine(bits1);
在输出中可以验证设置的位：
BitVector32{00000000101010111100110111101111}
把32位分别放在不同的片段中非常有用。例如，IPv4地址定义为一个4字节的数，该数存储在一个整数中。可以定义4个片段，把这个整数拆分开。在多播IP消息中，使用了几个32位的值。其中一个32位的值放在这些片段中：16位表示源号，8位表示查询器的查询内部码，3位表示查询器的健壮变量，1位表示抑制标志，还有4个保留位。也可以定义自己的位含义，以节省内存。
下面的例子模拟接收到值0x79abcdef，把这个值传送给BitVector32结构的构造函数，从而相应地设置位：
int received = 0x79abcdef;
BitVector32 bits2 = new BitVector32(received);
WriteLine(bits2);
在控制台上显示了初始化的位：
BitVector32{01111001101010111100110111101111}
接着创建6个片段。第一个片段需要12位，由十六进制值0xfff定义(设置了12位)。片段B需要8位，片段C需要4位，片段D和E需要3位，片段F需要两位。第一次调用CreateSection()方法只是接收0xfff，为最前面的12位分配内存。第二次调用CreateSection()方法时，将第一个片段作为参数传递，从而使下一个片段从第一个片段的结尾处开始。CreateSection()方法返回一个BitVector32. Section类型的值，该类型包含了该片段的偏移量和掩码。
// sections: FF EEE DDD CCCC BBBBBBBB
// AAAAAAAAAAAA
BitVector32.Section sectionA = BitVector32.CreateSection(0xfff);
BitVector32.Section sectionB = BitVector32.CreateSection(0xff, sectionA);
BitVector32.Section sectionC = BitVector32.CreateSection(0xf, sectionB);
BitVector32.Section sectionD = BitVector32.CreateSection(0x7, sectionC);
BitVector32.Section sectionE = BitVector32.CreateSection(0x7, sectionD);
BitVector32.Section sectionF = BitVector32.CreateSection(0x3, sectionE);
把一个BitVector32.Section类型的值传递给BitVector32结构的索引器，会返回一个int，它映射到位矢量的片段上。这里使用一个帮助方法IntToBinaryString()，获得该int数的字符串表示：
WriteLine($"Section A: {IntToBinaryString(bits2[sectionA], true)}");
WriteLine($"Section B: {IntToBinaryString(bits2[sectionB], true)}");
WriteLine($"Section C: {IntToBinaryString(bits2[sectionC], true)}");
WriteLine($"Section D: {IntToBinaryString(bits2[sectionD], true)}");
WriteLine($"Section E: {IntToBinaryString(bits2[sectionE], true)}");
WriteLine($"Section F: {IntToBinaryString(bits2[sectionF], true)}");
IntToBinaryString()方法接收整数中的位，并返回一个包含0和1的字符串表示。在实现代码中遍历整数的32位。在迭代过程中，如果该位设置为1，就在StringBuilder的后面追加1，否则，就追加0。在循环中，移动一位，以检查是否设置了下一位。
public static string IntToBinaryString(int bits, bool removeTrailingZero)
{
var sb = new StringBuilder(32);
for (int i = 0; i < 32; i++)
{
if ((bits & 0x80000000) ! = 0)
{
sb.Append("1");
}
else
{
sb.Append("0");
}
bits = bits << 1;
}
string s = sb.ToString();
if (removeTrailingZero)
{
return s.TrimStart('0');
}
else
{
return s;
}
}
结果显示了片段A～F的位表示，现在可以用传递给位矢量的值来验证：
Section A: 110111101111
Section B: 10111100
Section C: 1010
Section D: 1
Section E: 111
Section F: 1