从无符号整数中提取位的函数

Question

编写一个名为bitpat_get() 的函数来提取一组指定的位。让它接受三个参数：第一个是unsigned int，第二个是整数起始位数，第三个是位数。使用位编号从0 最左边的位开始的约定，从第一个参数中提取指定数量的位并返回结果。所以调用

bitpat_get(x, 0, 3)

从 .来电

bitpat_get(x, 3, 5)

从左数第四位开始提取五位。

我真的不知道作者提取位是什么意思，所以我几乎可以肯定我的代码是错误的，而且无论它返回什么都不是预期的返回值。但是，无论如何我都会发布它：

#include <stdio.h>

unsigned int bitpat_get(unsigned int from, int start, int n);

int main(void)
{
    unsigned int x = 0xe1f4;

    printf("%x\n", bitpat_get(x, 0, 3));
    printf("%x\n", bitpat_get(x, 3, 5));
}

unsigned int bitpat_get(unsigned int from, int start, int n)
{
    unsigned int result = from;
    int bits;

    for (bits = 0; (from >> bits) != 0; ++bits)
        continue;

    unsigned int mask = (((1U << n) - 1) << (bits - n - start));

    result = from ^ mask;

    return result;
}

输出：

1f4
fef4

Answer 1

我真的不知道作者提取位是什么意思。

让我们先解决这个问题。假设你有一个 16 位无符号整数，位的位置是：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|a|b|c|d|e|f|g|h|i|j|k|l|m|n|o|p|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

所以表达式bitpat_get(x, 0, 3) 应该给你从偏移量零开始的三位，或者abc。同样，bitpat_get(x, 3, 5) 将在偏移量 3 处为您提供五位，或defgh。

这应该足以了解你需要做什么。

---

就你需要做什么来实现这一点而言，这是一个两步操作。第一个是实际向右移动位^(a) 以便您需要的位位于最右边的位置。这取决于三个信息：

• unsigned int的位宽；
• 要提取的偏移量；和
• 您希望提取的位数。

要移动的距离是bitWidth - offset - bitsNeeded。对于您的第一种情况，这将是 16 - 0 - 3 = 13，您可以看到将位向右移动 13 位会将所需的位放在最右边的部分：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|a|b|c|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

对于您的第二种情况，右移16 - 3 - 5 = 8 会给您：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|a|b|c|d|e|f|g|h|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

第二步是屏蔽掉你实际上不需要的左边的位。我们先做第二种情况，因为它有实际效果。

掩码基本上是一系列右侧的一位，可以通过从零开始，向左为您需要的每个位位置移动一位来获得。对于我们需要 5 位的情况，序列将是二进制 0、1、11、111、1111 和 11111。按位与值将给出：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|a|b|c|d|e|f|g|h| <- value
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|1|1|1|1|1| <- "and" with
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|d|e|f|g|h| <- gives
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

对于我们需要三位的第一种情况，掩码将是二进制111，因此不会影响原始值，因为所有最左边的位已经为零。 p>

请注意，您不需要在循环中执行此操作，因为正如您的代码所示，您可以使用单个表达式 2<sup>n</sup> - 1 来计算它：

unsigned mask = (1U << n) - 1U;

---

就您发布的代码而言，我发现了一些问题。

首先，我认为您的for..continue 部分旨在根据您以后对该值的使用找出unsigned int 的位宽。但是，您根据传入的值计算它，这是不正确的。您应该基于的是一个位模式，其中最左边的位是一个。

换句话说，考虑一下如果您传入的值为 3（二进制 11），您当前的循环会做什么 - 位宽将计算为 2，因为您最终会得到一个零值两个班次。因此，更好的方法是：

unsigned testVal = ~0U; // all one bits
for (bits = 0; testVal != 0; ++bits, testVal = testVal >> 1)
    ;

其次是你的掩码计算。您的代码设置为就地提取位，这意味着您只需将它们周围的所有其他位设置为零。最好将它们移到右侧进行提取^(a)。

第三，您应该知道^ 是 xor 操作，如果您使用全为一位的掩码，将 反转 位而不是按原样提取它们。你要找的接线员是&。

例如，将 xor 运算符与 bitpat_get(21, 11, 5) 一起使用会得到：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|1|0|1|0|1| <- value (21)
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|1|1|1|1|1| <- "xor" with
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|1|0|1|0| <- `01010` (10): NOT the correct `10101`
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

---

说了这么多，我会把函数写成这样：

unsigned bitpat_get(unsigned from, unsigned start, unsigned count) {
    // Only need calculate this once, first time it's called.

    static unsigned bitWidth = 0;
    if (bitWidth == 0) {
        unsigned testVal = ~0U;
        while (testVal != 0) {
            bitWidth++;
            testVal = testVal >> 1;
        }
    }

    // Get the value you need to shift by.

    unsigned shiftCount = bitWidth - start - count;

    // Use this line if in-place bits needed.
    // unsigned mask = ((1U << count) - 1U) << shiftCount;

    // Or use these two lines if you need it on the right.
    from = from >> shiftCount;
    unsigned mask = (1U << count) - 1U;

    // Mask and return the bits.

    unsigned result = from & mask;

    return result;
}

唯一棘手的地方是使用静态bitWidth，所以它只需要计算一次。这只是在后续调用中加快速度的优化。如果您不希望这样（例如，如果您对这些概念不满意，或者如果第一次可能会从多个线程同时调用此函数，从而导致数据竞争），只需将其替换为：

unsigned bitWidth = 0;
unsigned testVal = ~0U;
while (testVal != 0) {
    bitWidth++;
    testVal = testVal >> 1;
}

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^(a) 这是基于经验的。 可能您可能希望它们就位，但在我漫长且（偶尔）辉煌的职业生涯中，我一直发现将它们放在移位部分更有用。例如，如果位 11-13 是某种整数值，将它们移动到最右边的位实际上给出值0..7，而不是来自集合{0, 4, 8, ..., 28} 的值。

可能不是这样，所以我提供的代码涵盖了这两种情况，如果你只是注释掉备用情况。