K&R 练习 2-7 中的位反转功能答案

【问题标题】：Bit invert function in K&R exercise 2-7K&R 练习 2-7 中的位反转功能
【发布时间】：2013-04-01 16:19:14
【问题描述】：

C 编程语言练习 2-7：

编写一个函数invert(x,p,n)，它返回x，其中n位开始于p位置反转（即1更改为0，反之亦然），其他保持不变。

我理解这样的问题：我有 182，即二进制的 101(101)10，括号中的部分必须反转而不改变其余部分。那么返回值应该是10101010，即十进制的170。

这是我的尝试：

#include <stdio.h>

unsigned int getbits(unsigned int bitfield, int pos, int num);
unsigned int invert(unsigned int bitfield, int pos, int num);

int main(void)
{
    printf("%d\n", invert(182, 4, 3));
    return 0;
}

/* getbits: get num bits from position pos */
unsigned int getbits(unsigned int bitfield, int pos, int num)
{
    return (bitfield >> (pos+1-n)) & ~(~0 << num);
}

/* invert: flip pos-num bits in bitfield */
unsigned int invert(unsigned int bitfield, int pos, int num)
{
    unsigned int mask;
    unsigned int bits = getbits(bitfield,pos,num);

    mask = (bits << (num-1)) | ((~bits << (pos+1)) >> num);

    return bitfield ^ mask;
}

这似乎是正确的（对我来说），但 invert(182, 4, 3) 输出 536870730。 getbits() 工作正常（直接来自书中）。我写下了我分配给y的表达式中发生的事情：

(00000101 << 2) | ((~00000101 << 5) >> 3)    -- 000000101 is the part being flipped: 101(101)10
       00010100 | ((11111010 << 5) >> 3)
       00010100 | (01000000 >> 3)
       00010100 | 00001000
= 00011100

  10110110 (182)
^ 00011100
----------
= 10101010 (170)

应该是正确的，但事实并非如此。我发现这是出错的地方：((~xpn << (p+1)) >> n)。我不明白怎么做。

另外，我不知道这段代码有多通用。我的首要任务是让这个案子运作起来。也欢迎在这个问题上提供帮助。

【问题讨论】：

不要给变量取诸如“x, p, n”之类的垃圾名称，这是一个非常糟糕的主意。
@Lundin K&R 这样命名它们，所以我也这样做了。尽管这背后可能有格式化的原因。我会记住这一点的。
是的，我意识到真正糟糕的想法来自 K&R。请注意，您无法从那本书中学到好的编程实践。对于已经过时 14 年的 C 语言版本，你只能从中学习语法。
@Lundin，这些变量名很好。 K&R 是正确的。根据定义。或者查看 Linux 内核 C 风格指南。
@vonbrand Err，不，我很抱歉，但在现代编程中，没有“定义正确，因为某些大师在 80 年代这样说”这样的东西。此外，程序员应该使用自己的大脑。如果您认为“x”是一个很棒的变量名，无论是否使用您的大脑，那就这样吧-在得出这样的结论之后不再讨论是没有意义的。至于 Linux 内核编码风格，它是一个相当非正式的文档，对于所陈述的模糊规则缺乏大量理由或来源。这当然不是某些 C 规范。如果您想要专业的编码标准，请查看 MISRA-C 或 CERT-C。

标签： c bit-manipulation kernighan-and-ritchie

【解决方案1】：

((1u<<n)-1) 是一个位掩码，在 RHS 处带有 n '1' 位。 <<p 将此块 p 位置向左移动。（如果你想从左边数，你应该用(p-n)而不是p来移动）。

return val  ^ (((1u<<n)-1) <<p) ;

当 p 大于 wordsize 时仍然存在问题（移动超过 wordsize 是未定义的），但这应该是调用者的责任;-)

例如101(101)10，p=2 和 n=3：

1u<<n               := 1000
((1u<<n)-1)         := 0111
(((1u<<n)-1) <<p) := 011100
original val    := 10110110
val ^ mask      := 10101010

【讨论】：

第一行是干什么用的？该条件也适用于 0
不需要。（我害怕面具变成全1，但是(1<<0)-1全是零。
似乎也没有给出正确的答案。我现在澄清了我如何理解我的问题中的练习。当然，我可能理解错了。
那是counting from the right 部分。在您的 101(101)10 示例中，我假设 p=2，n=3。
@wildplasser 我刚刚意识到我从右边数到了p，但从左数到了n。

【解决方案2】：

我认为您在其中一个班次中遇到了一个问题（这只是一种预感，我不完全确定）。不过，我会保持简单（我假设索引位置 p 从 LSB 开始，即 p=0 是 LSB）：

unsigned int getbits(unsigned int x, int p, int n) {
  unsigned int ones = ~(unsigned int)0;
  return x ^ (ones << p) ^ (ones << (p+n));
}

编辑：如果您需要 p=0 作为 MSB，只需反转移位（这可以正常工作，因为 ones 被定义为 unsigned int）：

unsigned int getbits(unsigned int x, int p, int n) {
  unsigned int ones = ~(unsigned int)0;
  return x ^ (ones >> p) ^ (ones >> (p+n));
}

注意：在这两种情况下，如果 p < 0、p >= sizeof(int)*8、p+n < 0 或 p+n >= sizeof(int)*8 getbits 的结果是未定义的。

【讨论】：

没有给出正确的值。我正在使用 182 进行测试，即101(101)10 - 括号中的部分是应该倒置的部分。 invert(182, 4, 3) 应该得到的值是 170。
这是因为您将 MSB 计为 p=0。我明确表示我将 LSB 计为 p=0。我会修正我的答案。
我的错误。我从右边数p，但从左边数n。

【解决方案3】：

看看 Steve Summit 的 "Introductory C programming" 和 Ted Jensen 的 "At tutorial on pointers and arrays in C"。他们所涵盖的语言与今天的 C 语言有些不同（编程习惯也在演变，机器大大更大，真正的人不再编写汇编程序了），但他们所说的大部分内容都是真实的今天和当时一样。肖恩·安德森的"Bit twiddling hacks" 会让你眼花缭乱。保证。

【讨论】：

【解决方案4】：

我发现我的实现中出了什么问题（除了从错误的方向计数num）。现在我已经了解了更多关于位的知识，之后似乎相当明显。

当一个 1 位左移，超出位域范围时，它被扩展。

   1000 (8) << 1
== 10000 (16)

bitfield << n 将 bitfield 乘以 2 n 倍。我的表达式 ((~bits << (pos+1)) >> num) 分别有 5、4 和 3 作为 bits、pos 和 num 的值。我将一个几乎 32 位 int 大小的数字乘以 2，两次。

【讨论】：

【解决方案5】：

我的功能怎么样？我觉得很好。

unsigned invert(unsigned x,int p,int n)
{
     return (x^((~(~0<<n))<<p+1-n));
}

【讨论】：