C++ bitset容器的用法（非常详细）

对于 C++ 开发人员来说，使用位标志进行操作并不罕见。这可能是因为它们与操作系统 API（通常是用 C语言编写的）一起工作，这些 API 以位标志的形式接受各种类型的参数（如选项或样式），也可能是因为它们与做类似事情的库一起工作，或者只是因为某些类型的问题可以通过位标志自然地解决。

我们可以考虑使用位和位操作的替代方案，例如定义每个选项/标志都有一个元素的数组，或者定义一个包含成员和函数的结构来建模位标志，但这些通常更复杂。在需要将表示位标志的数值传递给函数的情况下，仍然需要将数组或结构转换为位序列。出于这个原因，C++ 标准提供了一种名为 std::bitset 的容器，它主要用于存储固定长度的位序列。

bitset 类在头文件 <bitset> 的 std 命名空间中可用，bitset 表示固定大小的位序列，其大小在编译时定义。为了方便起见，本节大多数示例将使用 8 位的 bitset。

C++ bitset的使用方式

要构造 std::bitset 对象，请使用以下可用的构造函数：
1) 所有位均设置为 0 的空 bitset：

std::bitset<8> b1; // [0,0,0,0,0,0,0,0]

2) 数值 bitset:

std::bitset<8> b2{ 10 }; // [0,0,0,0,1,0,1,0]

3) 字符串 '0' 和 '1' 的 bitset：

std::bitset<8> b3{ "1010"s }; // [0,0,0,0,1,0,1,0]

4) 字符串的 bitset，该字符串包含表示 '0' 和 '1' 的任意两个字符。在这种情况下，我们必须指定哪个字符表示 0（第四个参数 'o'），哪个字符表示 1（第五个参数 'x'）：

std::bitset<8> b4 { "ooooxoxo"s, 0, std::string::npos, 'o', 'x' }; // [0,0,0,1,0,1,0]

要测试集合中的单个位或整个集合中的特定值，请使用以下方法：
1) 使用 count() 获取设置为 1 的位数：

std::bitset<8> bs{ 10 };
std::cout << "has " << bs.count() << " 1s" << '\n';

2) 使用 any() 检查是否至少有一个位设置为 1:

if (bs.any()) std::cout << "has some 1s" << '\n';

3) 使用 all() 检查是否所有位都设置为 1:

if (bs.all()) std::cout << "has only 1s" << '\n';

4) 使用 none() 检查是否所有位都设置为 0:

if (bs.none()) std::cout << "has no 1s" << '\n';

5) 使用 test() 检查单个位的值（其位置是函数的唯一参数）：

if (!bs.test(0)) std::cout << "even" << '\n';

6) 使用 operator[] 访问和测试单个位:

if(!bs[0]) std::cout << "even" << '\n';

要修改 bitset 的内容，可以使用以下方法：
1) 成员操作符 |=、&=、^= 和 ~ 分别执行二进制运算 OR、AND、XOR 和 NOT。此外，也可以使用非成员操作符 |、& 和 ^:

std::bitset<8> b1{ 42 }; // [0,0,1,0,1,0,1,0]
std::bitset<8> b2{ 11 }; // [0,0,0,0,1,0,1,1]
auto b3 = b1 | b2; // [0,0,1,0,1,1,1,1]
auto b4 = b1 & b2; // [0,0,0,0,1,0,1,0]
auto b5 = b1 ^ b2; // [1,1,0,1,1,1,1,1]
auto b6 = ~b1; // [1,1,0,1,0,1,0,1]

2) 成员操作符 <<=、<<、>>= 和 >> 执行移位操作:

auto b7 = b1 << 2; // [1,0,1,0,1,0,0,0]
auto b8 = b1 >> 2; // [0,0,0,0,1,0,1,0]

3) flip() 将整个集合或单个位从 0 切换到 1 或从 1 切换到 0:

b1.flip();  // [1,1,0,1,0,1,0,1]
b1.flip(0); // [1,1,0,1,0,1,0,0]

4) set() 将整个集合或单个位更改为 true 或指定值:

b1.set(0, true); // [1,1,0,1,0,1,0,1]
b1.set(0, false); // [1,1,0,1,0,1,0,0]

5) reset() 将整个集合或单个位更改为 false:

b1.reset(2); // [1,1,0,1,0,0,0,0]

要将 bitset 转换为数值或字符串值，请使用以下方法：
1) to_ulong() 和 to_ullong() 将值转换为 unsigned long 或 unsigned long long。如果值无法在输出类型中表示，这些操作将抛出 std::overflow_error 异常。请参考以下示例:

std::bitset<8> bs{ 42 };
auto n1 = bs.to_ulong(); // n1 = 42UL
auto n2 = bs.to_ullong(); // n2 = 42ULL

2) to_string() 将值转换为 std::basic_string。默认情况下，结果是一个包含' 0' 和 '1' 的字符串，但你可以为这两个值指定不同的字符:

auto s1 = bs.to_string();  // s1 = "00101010"
auto s2 = bs.to_string('o', 'x'); // s2 = "ooxoxoxo"

深度解读C++ bitset

如果你曾经使用过 C API 或类 C API，那么你很可能编写过或至少见过操作位的代码。这通常涉及以下操作：

• 定义位标志：这些可以是枚举、类中的静态常量，也可以是 C 风格中使用 #define 引入的宏。通常，有一个标志表示没有值（如样式、选项等）。因为这些应该是位标志，所以它们的值是 2 的幂；
• 在集合（即数值）中添加和删除标志：添加位标志通过位或操作符（value|=FLAG）完成，删除位标志通过位与操作符完成，并使用反标志（value&=~FLAG）；
• 测试标志是否已添加到集合中（value & FLAG==FLAG）；
• 将标志作为参数调用函数。

下面是定义控件边框样式的标志的简单示例，该控件的左侧、右侧、顶部或底部可以有边框，有无边框可以任意组合：

#define BORDER_NONE  0x00
#define BORDER_LEFT  0x01
#define BORDER_TOP   0x02
#define BORDER_RIGHT 0x04
#define BORDER_BOTTOM 0x08

void apply_style(unsigned int const style)
{
    if (style & BORDER_BOTTOM) { /* do something */ }
}

// initialize with no flags
unsigned int style = BORDER_NONE;
// set a flag
style = BORDER_BOTTOM;
// add more flags
style |= BORDER_LEFT | BORDER_RIGHT | BORDER_TOP;
// remove some flags
style &= ~BORDER_LEFT;
style &= ~BORDER_RIGHT;
// test if a flag is set
if ((style & BORDER_BOTTOM) == BORDER_BOTTOM) {
    // pass the flags as argument to a function
    apply_style(style);
}

标准的 std::bitset 类旨在作为 C++ 替代方案，来取代这种具有位集合的类 C 工作风格，它使得我们能够编写鲁棒性更好、更安全的代码，因为它使用成员函数作风格，使得我们能够编写鲁棒性更好、更安全的代码，借助成员函数抽象了位操作，尽管我们仍然需要确定集合中的每个位代表什么：

• 添加和删除标志分别是通过 set() 和 reset() 方法完成的，它们将由位置指示的位的值设置为 1 或 0（或 true 和 false）。另外，我们也可以使用索引操作符来达到同样的目的；
• 测试是否用 test() 方法设置了位；
• 整数或字符串的转换是通过构造函数完成的，而转换成整数或字符串的转换是通过成员函数完成的，因此 bitset 中的值可以用在需要整数的地方（例如函数的参数）。

除了这些操作之外，bitset 类还有其他方法，用于执行按位操作、移位、测试等。

从概念上讲，std::bitset 是数值的表示形式，它使你能够访问和修改单个位。然而，bitset 内部有一个整数值数组，在其上可以执行按位操作。bitset 的大小不限于数值类型的大小，它可以是任何东西，除了它是一个编译时常数。

控件边框样式的示例可以使用 std::bitset 按以下方式编写：

struct border_flags
{
    static const int left = 0;
    static const int top = 1;
    static const int right = 2;
    static const int bottom = 3;
};

// initialize with no flags
std::bitset<4> style;
// set a flag
style.set(border_flags::bottom);
// set more flags
style.set(border_flags::left)
     .set(border_flags::top)
     .set(border_flags::right);
// remove some flags
style[border_flags::left] = 0;
style.reset(border_flags::right);
// test if a flag is set
if (style.test(border_flags::bottom)) {}
// pass the flags as argument to a function
apply_style(style.to_ulong());