c++20,位操作增强_c++20 bits库-优快云博客

1.概要

2.内容

C++20 引入了一些增强的位操作特性，主要包括 std::bit_cast 和一些位操作相关的库函数。这些新特性旨在简化位级操作，提高代码的可读性和安全性。以下是这些特性的详细介绍：

1. `std::bit_cast`

std::bit_cast 允许你在保证二进制表示相同的前提下，将一个对象的位模式重新解释为另一种类型的对象。这在需要进行低级别的类型转换时非常有用，比如处理硬件寄存器或进行序列化/反序列化操作。

#include <bit>
#include <iostream>

struct MyStruct {
    int a;
    float b;
};

int main() {
    MyStruct s{42, 3.14f};
    std::array<std::byte, sizeof(MyStruct)> bytes = std::bit_cast<std::array<std::byte, sizeof(MyStruct)>>(s);

    // 输出原始字节
    for (auto byte : bytes) {
        std::cout << std::hex << static_cast<int>(byte) << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 将字节数组重新解释回结构体
    MyStruct s2 = std::bit_cast<MyStruct>(bytes);
    std::cout << "a: " << s2.a << ", b: " << s2.b << std::endl;

    return 0;
}

2. 位操作库函数

C++20 还引入了一些位操作库函数，这些函数定义在 <bit> 头文件中，主要包括：

std::bit_ceil(unsigned int x): 返回大于等于 x 的最小的 2 的幂。
std::bit_floor(unsigned int x): 返回小于等于 x 的最大的 2 的幂。
std::bit_width(unsigned int x): 返回 x 的二进制表示中的 1 的数量（即汉明重量或种群计数）。
std::rotl(unsigned int x, int n): 将 x 左旋转 n 位。
std::rotr(unsigned int x, int n): 将 x 右旋转 n 位。
std::countl_zero(unsigned int x): 返回 x 的二进制表示中前导零的数量。
std::countr_zero(unsigned int x): 返回 x 的二进制表示中后随零的数量。
std::popcount(unsigned int x): 返回 x 的二进制表示中 1 的数量（与 std::bit_width 相同）。

以下是一个简单的例子，展示如何使用这些函数：

#include <bit>
#include <iostream>

int main() {
    unsigned int x = 29; // 二进制: 11101

    std::cout << "bit_ceil(29): " << std::bit_ceil(x) << std::endl;       // 输出 32
    std::cout << "bit_floor(29): " << std::bit_floor(x) << std::endl;     // 输出 16
    std::cout << "bit_width(29): " << std::bit_width(x) << std::endl;     // 输出 4 (因为29的二进制表示中有4个1)
    std::cout << "rotl(29, 1): " << std::rotl(x, 1) << std::endl;         // 输出 58 (111010)
    std::cout << "rotr(29, 1): " << std::rotr(x, 1) << std::endl;         // 输出 14 (011101)
    std::cout << "countl_zero(29): " << std::countl_zero(x) << std::endl; // 输出 1 (前导零的数量)
    std::cout << "popcount(29): " << std::popcount(x) << std::endl;       // 输出 4 (与bit_width相同)

    return 0;
}

总结

C++20 的位操作增强提供了更简洁和安全的方式进行低级别的位操作，特别是 std::bit_cast 和一组实用的位操作库函数，使得处理二进制数据和执行位操作变得更加容易。这些特性在嵌入式系统编程、性能优化以及需要精确控制数据表示的场景中尤为有用。

3.关联链接

c++模块（Modules）-优快云博客

c++20：概念（Concepts）-优快云博客

c++20:范围（Ranges）-优快云博客

c++20:协程（Coroutines）-优快云博客

c++协程（Coroutines）-无限的整数序列-优快云博客

三路比较运算符（Spaceship Operator）-优快云博客

std::format-优快云博客

c++20,位操作增强-优快云博客

c++20 空指针比较-优快云博客

4.关联知识

1.c++20有什么新功能

C++20 是 C++ 标准的一个重要更新，它引入了许多新特性和改进，显著提升了语言的功能性和易用性。以下是一些关键的新功能：

一、模块（Modules）

功能：改变了组织源码文件的方式，旨在替换传统的头文件 #include 模型，以减少编译时间和改善依赖管理。在项目中，不再需要区分 .cpp 和 .h 文件。
示例：

// my_module.module
export module my_module;
export void greet() {
    std::cout << "Hello from the module!" << std::endl;
}

// main.cpp
import my_module;
int main() {
    greet();
    return 0;
}

二、概念（Concepts）

功能：允许在编译时精确指定模板参数需满足的条件，增强编译时错误信息和泛型编程的清晰度。
示例：

#include <concepts>

template<typename T>
concept Integral = std::is_integral_v<T>;

template<Integral T>
T abs(T x) {
    return x >= 0 ? x : -x;
}

int main() {
    static_assert(abs(42) == 42);
    static_assert(abs(-42) == 42);
    // static_assert(abs(42.0) == 42.0); // 错误，double不满足Integral概念
}

三、范围（Ranges）

功能：扩展了标准库中的算法，支持更简洁、更灵活的序列操作。Ranges 库是对标准模板库（STL）的一个重要扩展，它重新定义了容器和算法的交互方式，使代码更具可读性和表达力。
示例：

#include <range/v3/all.hpp>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    auto even = vec | ranges::view::filter([](int x) { return x % 2 == 0; });
    for (int val : even) {
        std::cout << val << " ";
    }
    return 0;
}

四、协程（Coroutines）

功能：正式支持协程，使得编写异步代码更为直观。协程是一种特殊的函数，允许在执行过程中暂停并在稍后恢复。
示例（简化的生成器示例）：

#include <coroutine>
#include <iostream>

struct Generator {
    struct promise_type;
    using handle_t = std::coroutine_handle<promise_type>;

    Generator(handle_t h) : coro(h) {}

    ~Generator() {
        if (coro) coro.destroy();
    }

    int next() {
        coro.resume();
        return coro.promise().current_value;
    }

private:
    handle_t coro;
};

struct Generator::promise_type {
    int current_value{0};
    Generator get_return_object() {
        return Generator{handle_t::from_promise(*this)};
    }

    std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }

    std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }

    void return_value(int value) {
        current_value = value;
    }

    void unhandled_exception() {
        std::terminate();
    }
};

Generator count_up_to(int limit) {
    for (int i = 1; i <= limit; ++i) {
        co_yield i;
    }
}

int main() {
    for (int val : count_up_to(5)) {
        std::cout << val << " ";
    }
    return 0;
}

五、三路比较运算符（Spaceship Operator）

功能：引入了<=>运算符，用于实现综合比较（小于、等于、大于）。
示例：

#include <compare>

struct Point {
    int x, y;
    auto operator<=>(const Point&) const = default;
};

int main() {
    Point p1{1, 2}, p2{1, 2};
    if (p1 == p2) std::cout << "Equal" << std::endl;
}

六、std::format

功能：C++20 引入的标准库函数，为字符串格式化提供了统一且强大的接口，类似于 Python 中的 str.format 或 C 的 printf 函数，但更加安全和灵活。
示例：

#include <format>
#include <iostream>

int main() {
    auto str = std::format("The answer is {}.", 42);
    std::cout << str << std::endl; // 输出: The answer is 42.
    return 0;
}

七、位操作增强

功能：C++20 对位操作进行了增强，引入了几个新函数来提高位操作的便利性和表达能力。
示例（使用 std::has_single_bit 和 std::countl_zero）：

#include <bit>
#include <iostream>

int main() {
    unsigned int num = 0b100000;
    std::cout << "Is power of 2?" << std::boolalpha << std::has_single_bit(num) << std::endl;
    std::cout << "Leading zeros: " << std::countl_zero(num) << std::endl;
}

八、空指针比较

功能：C++20 引入了新的空指针常量 nullptr 与整数类型的比较操作，明确禁止了这种比较，以防止潜在的逻辑错误。以前，比较 nullptr 和整数在某些实现下是允许的，但现在这样的比较会引发编译错误，确保了代码的清晰和安全。
示例（演示非法比较）：

void checkPointer(int* ptr) {
    // if (ptr == 0) // 在C++20中，这种比较会被认为是错误的。
    // std::cout << "ptr is null" << std::endl;
}

九、其他改进和新增特性

关键字和语法增强：引入了 co_await、co_return、co_yield 等关键字以支持协程，consteval 用于声明必须在编译时求值的常量表达式函数，constinit 用于声明必须在编译时初始化的变量，以及 inline 变量等。
constexpr 支持的扩展：C++20 扩展了 constexpr 的能力，使其可以用于更复杂的表达式和函数，包括虚函数、动态内存分配、try-catch 异常处理等。
std::span：一个轻量级的视图类型，表示一段连续内存的子集，它类似于指针和数组，但更安全、更易用。
类型安全和错误检查：通过引入概念（Concepts）和范围（Ranges），C++20 提供了更强的类型安全和更好的编译时错误检查。

总的来说，C++20 的这些新特性和改进使得 C++ 语言更加现代化、强大和易用。