C++ bitset

在 C++ 中，std::bitset 是用于处理二进制位（bit）的固定大小容器，常用于位操作、标志位管理或优化存储。以下是详细用法指南：

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C++ bitset

内容

一、基本用法

1. 头文件

#include <bitset>

2. 初始化

// 默认初始化（所有位为0）
std::bitset<8> bits1;         // 00000000

// 从整数初始化
std::bitset<8> bits2(42);     // 00101010

// 从二进制字符串初始化
std::bitset<8> bits3("10101010"); // 10101010
std::bitset<8> bits4("1010XXXX", 0, 8, 'X'); // 替换无效字符为0 → 10100000

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二、核心操作

1. 访问和修改位

bitset<8> b(0b11100000);

// 访问（索引从右到左，索引0是最低位）
b[0] = 1;        // 修改第0位 → 11100001
bool bit5 = b[5];// 获取第5位的值（0或1）

// 整体赋值
b = 0xFF;        // 11111111
b = 0b1010;      // 00001010 (自动截断高位)

2. 常用方法

方法	作用	示例
.set(pos)	指定位置1	b.set(3); → 第3位为1
.reset(pos)	指定位置0	b.reset(2);
.flip(pos)	指定位取反	b.flip(4);
.count()	统计1的个数	int ones = b.count();
.size()	返回总位数	int len = b.size();
.test(pos)	安全访问（带范围检查）	if(b.test(7)) {...}
.all()	是否所有位都是1	if(b.all()) {...}
.any()	是否有至少1位是1	if(b.any()) {...}
.none()	是否所有位都是0	if(b.none()) {...}

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三、位运算操作

bitset 支持所有位运算符：

bitset<4> a(0b1010);
bitset<4> b(0b1100);

a & b;   // 按位与 → 1000
a | b;   // 按位或 → 1110
a ^ b;   // 按位异或 → 0110
~a;      // 按位取反 → 0101 (实际位数由模板参数决定)
a << 2;  // 左移 → 1000
b >> 1;  // 右移 → 0110

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四、转换操作

1. 转为字符串

bitset<8> b(42);
string s = b.to_string();    // "00101010"
string s_hex = b.to_string('*', '-'); // 用*代替1，-代替0 → "--*-*-*-"

2. 转为整型

unsigned long ulong_val = b.to_ulong();
unsigned long long ull_val = b.to_ullong(); // C++11

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五、实战示例

1. 掩码操作

// 检查第3位是否被设置
bitset<8> status_reg(0b00110010);
if (status_reg.test(3)) {
    cout << "Bit 3 is set!" << endl;
}

// 设置第5位为1，不影响其他位
status_reg.set(5);

2. 二进制解析

// 解析IPv4子网掩码
bitset<32> subnet_mask(0xFFFFFF00);
bitset<32> ip_address(0xC0A80101); // 192.168.1.1
bitset<32> network_id = ip_address & subnet_mask;

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六、注意事项

1. 编译时大小：模板参数必须是编译时常量，如 bitset<N> 中的 N
2. 越界访问：使用 operator[] 时不会检查索引，建议用 .test(pos) 安全访问
3. 字符串初始化：字符串必须只含 '0' 或 '1'，否则抛出 invalid_argument 异常

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七、性能与适用场景

• 优势：位操作效率高（直接映射到底层整型），内存紧凑
• 适用场景：
  • 硬件寄存器操作
  • 网络协议标志位解析
  • 状态压缩（如算法中的visited标记）
  • 位图处理

通过合理使用 bitset，可以显著提升代码可读性和性能。