如何对于多字节变量进行逐字节读写

 大部分编程语言都没有直接给我们提供对于位进行操作的方法，有时候为了节约空间或者是实现一些特殊目的，我们需要对于一个存储空间中的某一段 “位串” 进行读写。

目录

向指定字节写入数据

当被写入的空间的二进制位全是0的时候

当被写入的空间的二进制位不是全是0的时候

从指定字节读取数据

封装好的读写指定字节的python函数

位操作原理总结

规律

写入数据的2种方法

使用 位或 向目标空间的第n位开始写入数据串

使用 位与 向目标空间的第n位开始写入数据串

读取数据的2种方法

使用 位与 来读取目标空间的第n位开始长度为L的数据串

使用 位或 来读取目标空间的第n位开始长度为L的数据串

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我们要实现：对于第n字节进行写入数据和读取数据，同时其他3字节的数据不能受影响。

让我们利用Python来做这个实验，为方便表示，我们利用十六进制的表示方法来演示。

1个十六进制位相当于4个二进制位，所以1个字节的8位在十六进制的表示方法里占2个十六进制位，比如 二进制数 11110001 等于十六进制数 f1。

在Python中十六进制数据 f1 用 0xf1 表示。

向指定字节写入数据

当被写入的空间的二进制位全是0的时候

注意，被写入的那一字节空间在写入前必须是全0！

例如：我们有一个int类型的4字节数据

a = 0xab120056

让我们从二进制的角度来考虑，它的第二字节为全为0，我们要向它的第二字节写入数据 0x34

关键一步来了，我们要构造另一个int类型数据，其第二字节的数据是我们想要写入的数据 0x34，其他3字节都是0

我们把这个构造的新int数据叫做掩码

即

mask = 0x00003400

我们也可以用位的位移操作符 << 来构造这个掩码，只需要将数据位左移指定字节就好，比如我们要移动到第二字节就左移8位，第三字节就左移16位。

mask = 0x34 << 8

获得了包含有我们要写入的数据的掩码后，我们就可以进行写入操作了

我们只需要将被写入的数据和掩码做位或，将得到的值写回被写入的空间就行了

即

a = a|mask

至此，数据 0x34 已经被写入了int变量a所在的空间的第二字节，并且其他数据没有受到影响

print("a=“,a) # a=0xab123456

 

当被写入的空间的二进制位不是全是0的时候

如果被写入的那一字节在写入前不为全零，我们是不能按上边的方法直接构造掩码并写入的，我们要先将原来的非全零数据进行擦除，即先设法将其全置为零。

让我们对于数据a = 0xab123456的第三字节进行擦除

同样，我们再构造一个和被操作数据等长的掩码，将掩码的要擦除的字节位置全置为0，不希望擦出的字节位置全置为1。

我们要擦除第三字节，就将掩码的第三字节的二进制位全置为0，其余部分全置为1

mask = 0xff00ffff

让我们对于目标的第三字节进行擦除，只需用掩码与被操作的数据进行位与操作，将得到的值覆盖掉原来的值就好

a = a&mask

至此，第三字节的数据已经被擦除，即全置为0，并且其他数据没有受到影响

print("a=“,a) # a=0xab003456

 

擦除后，我们就可以像上边那样对于这一字节进行写入了，不再赘述。

 

从指定字节读取数据

我们已经成功地对于指定字节写入了数据，当我们想使用这些数据的时候，需要把它们读取出来。

假如我们有数据 a=0xab123456

我们想读取其第二字节的数据0x34

我们只需要构造一个这样的掩码，其第二字节二进制位全为1，其余位全为0

即

mask = 0x0000ff00

我们要读取目标数据的第二字节，只需要使用掩码与目标数据进行位与，再将得到的结果进行右位移，将想要的数据位移到最低位即可

即

a = a&mask

print("a=“,a) # a=0x00003400

a = a >> 8

print("a=“,a) # a=0x00000034

 

至此，我们就成功的从指定数据的第二字节读取了数据。

 

封装好的读写指定字节的python函数

def writeByte(var_to, data, which_byte):
    # 构造含有数据的写入掩码
    mask_data = data << (which_byte-1)*8
    # 构造擦除指定字节的擦除掩码
    mask_tozero = ~(0xff << (which_byte-1)*8)
    # 不管要写入的位原来是什么情况，一律先擦除
    var_to =  var_to & mask_tozero
    # 写入数据
    var_to = var_to | mask_data
    return var_to
​
​
def readByte(var_from, which_byte):
    # 构造可以读取指定字节的读取掩码
    mask_read = 0xff << (which_byte-1)*8
    # 读取数据
    data = var_from & mask_read
    # 提取数据
    data = data >> (which_byte-1)*8
    return data
​
# 原始数据
a = 0xab123456
# 写入在第二字节写入数据 0xcd
a = writeByte(a, 0xcd, 2)
# 打印一下
print(hex(a))  # 0xab12cd56
# 读取第二字节的数据
data = readByte(a, 2)
# 打印一下
print(hex(data))  # 0xcd

位操作原理总结

规律

位操作真是一件很神奇的事情，明明就是一些简单的规则（与/或）

• 0 | 0 = 0

• 0 | 1 = 1

• 1 | 1 = 1

• 0 & 0 = 0

• 1 & 0 = 0

• 1 & 1 = 1

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如果从另一个角度来看待这些操作，就会有新用法

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• 用0 位或 任何二进制位对方不变

• 用0 位与 任何二进制位对方变成0

• 用1 位或 任何二进制位对方变成1

• 用1 位与 任何二进制位对方不变

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将以上特性推广到二进制串

• 用全0位串 位或 任何二进制位串对方不变 （读取数据）

• 用全1位串 位与 任何二进制位串对方不变（读取数据）

• 用全1位串 位或 任何二进制位串对方变成全1（用1填充，和第1条配合用来将指定位置串用1填充而不影响其他位置）

• 用全0位串 位与 任何二进制位串对方变成全0（用0填充，和第2条配合用来将指定位置串用0填充而不影响其他位置）

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  用一个01数据串 位或 一个全0位串得到那个01数据串（用来写入数据）

• 用一个01数据串 位或 一个全1位串得到一个全1串（写入失败……（写入保护））

• 用一个01数据串 位与 一个全1位串得到那个01数据串（用来写入数据）

• 用一个01数据串 位与 一个全0位串得到一个全0串（写入失败……（写入保护））

写入数据的2种方法

使用 位或 向目标空间的第n位开始写入数据串

掩码的构造：构造一个和被写入空间等长的全0串，从第n位开始，将要写入的数据放入这个全0串

目标空间：要事先将被写入的位置串全部置0

操作：

1. 目标空间数据 位或 掩码

2. 得到的结果再写入目标空间

使用 位与 向目标空间的第n位开始写入数据串

掩码的构造：构造一个和被写入空间等长的全1串，从第n位开始，将要写入的数据放入这个全0串

目标空间：要事先将被写入的位置串全部置1

操作：

1. 目标空间数据 位与 掩码

2. 得到的结果再写入目标空间

读取数据的2种方法

使用 位与 来读取目标空间的第n位开始长度为L的数据串

掩码的构造：构造一个和被写入空间等长的全0串，从第n位开始到后边的L为都置1

操作：

1. 目标空间数据 位与 掩码

2. 得到的数据再 右位移 ，将数据段位移到最低位，得到想读取的数据。

使用 位或 来读取目标空间的第n位开始长度为L的数据串

掩码1的构造：构造一个和被写入空间等长的全1串，从第n位开始到后边的L为都置0

掩码2的构造：构造一个和被写入空间等长的全0串，从第n位开始到后边的L为都置1

操作：

1. 目标空间数据 位或 掩码1

2. 将上一步得到的结果 同 掩码2 进行 位与

3. 得到的数据再 右位移 ，将数据段位移到最低位，得到想读取的数据。