C++ std::bitset

std::bitset 是 C++ 标准库中定义在头文件 中的一个类模板，用于表示固定大小的二进制位序列。它为位操作提供了一个简单而高效的接口，常用于需要处理大量布尔值、标志位、位运算和位掩码等场景。

1. 基本概念

• 固定大小
  std::bitset 模板的参数 N 表示二进制位的个数，这个大小在编译时就已经确定。与 std::vector 相比，std::bitset 不支持动态扩展，其大小是固定不变的。

• 内存存储与效率
  内部以紧凑的形式存储数据，通常采用一个或多个整数类型来存储所有位，能够在空间和时间上提供高效的位运算。

2. 常用成员函数

构造函数

• std::bitset b;
  默认构造，所有位初始化为 0。
• std::bitset b(val);
  其中 val 可以是整数或字符串，用于初始化位序列。例如，通过字符串 “1011” 初始化。

set()

用于将某个位设置为 1。

• b.set(pos); 将位置 pos 的位设为 1。
• b.set(); 将所有位全部设置为 1。
• b.set(pos, value); 根据布尔值 value 设置对应位。

reset()

将某个位或所有位复位为 0。

• b.reset(pos); 将位置 pos 的位设为 0。
• b.reset(); 将所有位全部复位为 0。

flip()

用于将某个位或所有位进行反转（0 变 1，1 变 0）。

• b.flip(pos); 反转位置 pos 的位。
• b.flip(); 反转所有位。

test()

检查某个位的值，返回一个布尔值。

• b.test(pos); 如果位置 pos 为 1，则返回 true，否则返回 false。

operator[] 重载

• 提供对单个位的读写访问，可以像数组一样使用 b[pos] 来访问特定位，但返回的是一个 proxy 对象，不是直接的 bool 值。

count()

返回二进制序列中 1 的个数。

any()、none() 和 all()

• any()：如果至少有一位为 1，则返回 true。
• none()：如果所有位均为 0，则返回 true。
• all()：如果所有位均为 1，则返回 true。

to_string() 和 to_ulong() / to_ullong()

• to_string()：将 std::bitset 转换为 std::string，其中每个字符代表一位。
• to_ulong() 与 to_ullong()：将位序列转换为无符号长整型数，但前提是位数必须不超过目标数据类型的位宽，否则会抛出异常。

3. 位运算与操作符重载

std::bitset 重载了常见的位运算符，使得对位操作更加直观：

• 按位与 (&)、按位或 (|) 与按位异或 (^)
  可以直接对两个 std::bitset 对象进行与、或、异或运算，返回新的 std::bitset。

• 按位取反 (~)
  可以对一个 std::bitset 对象进行取反操作。

• 移位操作 (<< 和 >>)
  支持左移和右移操作，操作结果为新的 std::bitset。

• 比较操作符
  支持相等 (==) 和不等 (!=) 的比较。

这些操作符使得在处理位级别数据时，代码更为简洁和直观。

4. 使用示例

下面是一个简单示例，展示了 std::bitset 的常用操作：

#include <iostream>
#include <bitset>
#include <string>

int main() {
    // 创建一个大小为 8 的 bitset，初始值为 0
    std::bitset<8> bs;
    std::cout << "初始 bs: " << bs << std::endl; // 输出: 00000000

    // 设置第 2 位为 1
    bs.set(2);
    std::cout << "设置第 2 位后: " << bs << std::endl; // 输出: 00000100

    // 将所有位设为 1
    bs.set();
    std::cout << "全部置 1 后: " << bs << std::endl; // 输出: 11111111

    // 复位第 4 位
    bs.reset(4);
    std::cout << "复位第 4 位后: " << bs << std::endl; // 输出: 11101111

    // 反转所有位
    bs.flip();
    std::cout << "反转后: " << bs << std::endl; // 输出: 00010000

    // 判断某个位的状态
    bool isSet = bs.test(4);
    std::cout << "第 4 位状态: " << isSet << std::endl; // 输出: true

    // 统计 1 的个数
    std::cout << "1 的个数: " << bs.count() << std::endl; // 输出: 1

    // 将 bitset 转换为字符串
    std::string bitStr = bs.to_string();
    std::cout << "字符串表示: " << bitStr << std::endl; // 输出: 00010000

    return 0;
}

5. 应用场景

• 标志位管理
  当需要同时管理多个布尔标志（例如状态位、权限标记、配置开关）时，std::bitset 可以用来高效地存储和操作这些标志。
• 位掩码与位操作
  在需要进行位级操作（例如网络协议、硬件接口、压缩算法）时，std::bitset 能够提供清晰和简洁的接口。
• 性能优化
  由于内存占用紧凑和支持直接的位操作，std::bitset 在某些场景下可以提供比动态容器更高的效率。

6. 注意事项

• 固定大小限制
  由于大小在编译时确定，不能根据运行时数据动态调整。如果需要动态大小的位容器，可以考虑 std::vector 或其他专门的位向量库。

• 溢出与转换问题
  使用 to_ulong() 或 to_ullong() 时要确保当前 bitset 的大小不超过目标类型的位宽，否则可能会抛出 std::overflow_error 异常。

• 操作符[] 返回的是 proxy 对象
  使用 operator[] 修改单个位时，其返回的是一个代理对象，而不是直接的布尔引用，这可能会导致一些意想不到的行为，需要注意这一点。