如何打印（使用 cout）二进制形式的数字？答案

【问题标题】：How to print (using cout) a number in binary form?如何打印（使用 cout）二进制形式的数字？
【发布时间】：2011-11-13 01:30:22
【问题描述】：

我正在学习关于操作系统的大学课程，我们正在学习如何从二进制转换为十六进制、从十进制转换为十六进制等。今天我们刚刚学习了如何使用二进制补码将有符号/无符号数字存储在内存中(~数字 + 1)。

我们需要在纸上做一些练习，我希望能够在将作业提交给老师之前验证我的答案。我为前几个练习编写了一个 C++ 程序，但现在我不知道如何用以下问题验证我的答案：

char a, b;

short c;
a = -58;
c = -315;

b = a >> 3;

我们需要显示a、b 和c 的二进制表示在内存中。

我已经在纸上完成了它，它给了我以下结果（内存中的所有二进制表示形式）：

a = 00111010（它是一个字符，所以 1 个字节）

b = 00001000（它是一个字符，所以 1 个字节）

c = 11111110 11000101（很短，所以2个字节）

有没有办法验证我的答案？ C++ 中是否有标准方法来显示数字内存中的二进制表示，还是我必须自己编写每个步骤（计算二进制补码然后转换为二进制）？我知道后者不会花这么长时间，但我很好奇是否有标准的方法来做到这一点。

【问题讨论】：

你了解十六进制表示吗？如果你这样做了，你可以打印十六进制表示（使用std::hex）操纵器 - 我会把它作为练习留给你来解决剩下的......
您非常强调“内存中”，但我希望它们不会让您处理字节序问题。
你知道什么是字节序吗？如果你这样做了，你关心这个练习吗？这些问题的答案可能会影响您的问题的答案。
根据您的 IDE，如果您只是想验证您的手写解决方案的正确性，而不是实际编写程序来显示有用的内容，您可以使用 Visual Studio 的内存查看器之类的工具来查看内存的确切内容。
即使是 Google 也会这样做，例如 “-58 in binary” - 但 +1 表示想了解如何在代码中自己完成。

标签： c++ binary iostream representation std-bitset

【解决方案1】：

最简单的方法可能是创建一个代表值的std::bitset，然后将其流式传输到cout。

#include <bitset>
...

char a = -58;
std::bitset<8> x(a);
std::cout << x << '\n';

short c = -315;
std::bitset<16> y(c);
std::cout << y << '\n';

【讨论】：

请原谅我的无知，但这只会显示数字的二进制表示（例如 8 将是 00001000）或其内存表示（例如，如何通过处理符号位来存储 -8 和使用“二进制补码”）？
@Jesse：bitset 的构造函数参数被解释为一个无符号值，其结果与二进制补码相同。严格来说，C++ 不保证二进制补码算法，而且您示例中的-58 >> 3 操作也是未定义的。
我可以将 bitset 值（即本例中的 x 或 y）类型转换为 char* 吗？
@nirvanaswap：我想你可以施放它，但结果不太可能有用。如果您需要字符串形式的结果，请使用bitset 的to_string 成员。
感谢 Jerry，几分钟后我发现了 to_string。仅供参考，强制转换不起作用， bitset 变量是一些看起来很神秘的 bitset3ul (?!) 类的对象。最好让抽象来完成工作！

【解决方案2】：

使用即时转换为std::bitset。没有临时变量，没有循环，没有函数，没有宏。

Live On Coliru

#include <iostream>
#include <bitset>

int main() {
    int a = -58, b = a>>3, c = -315;

    std::cout << "a = " << std::bitset<8>(a)  << std::endl;
    std::cout << "b = " << std::bitset<8>(b)  << std::endl;
    std::cout << "c = " << std::bitset<16>(c) << std::endl;
}

打印：

a = 11000110
b = 11111000
c = 1111111011000101

【讨论】：

请注意，硬编码大小不是必需的。例如。打印x 使用：std::cout << std::bitset<8*sizeof(x)>(x)。

【解决方案3】：

在 C++20 中，您将能够使用 std::format 来执行此操作：

unsigned char a = -58;
std::cout << std::format("{:b}", a);

输出：

11000110

同时你可以使用the {fmt} library，std::format是基于。 {fmt} 还提供了print 函数，使这更容易和更高效（godbolt）：

unsigned char a = -58;
fmt::print("{:b}", a);

免责声明：我是 {fmt} 和 C++20 std::format 的作者。

【讨论】：

std::format 在 Visual Studio 2019 中尚不可用，是吗？
@rturrado std::format 在 Visual Studio 2019 中可用。您必须 #include <format> 并设置 /std:c++latest。
@ChrisG。感谢您的信息！

【解决方案4】：

如果您想显示任何对象的位表示，而不仅仅是整数，请记住首先将其重新解释为 char 数组，然后您可以将该数组的内容打印为十六进制，甚至是二进制（通过 bitset）：

#include <iostream>
#include <bitset>
#include <climits>

template<typename T>
void show_binrep(const T& a)
{
    const char* beg = reinterpret_cast<const char*>(&a);
    const char* end = beg + sizeof(a);
    while(beg != end)
        std::cout << std::bitset<CHAR_BIT>(*beg++) << ' ';
    std::cout << '\n';
}
int main()
{
    char a, b;
    short c;
    a = -58;
    c = -315;
    b = a >> 3;
    show_binrep(a);
    show_binrep(b);
    show_binrep(c);
    float f = 3.14;
    show_binrep(f);
}

请注意，大多数常见系统都是小端序，因此 show_binrep(c) 的输出不是您期望的 1111111 011000101，因为这不是它在内存中的存储方式。如果您正在寻找二进制的 value 表示，那么简单的cout << bitset<16>(c) 就可以了。

【讨论】：

【解决方案5】：

在 C++ 中是否有一种标准方法可以在内存中显示数字的二进制表示 [...]？

没有。没有std::bin，像std::hex 或std::dec，但自己输出一个二进制数并不难：

您通过屏蔽所有其他位、左移来输出最左边的位，然后对您拥有的所有位重复此操作。

（一个类型的位数是sizeof(T) * CHAR_BIT。）

【讨论】：

【解决方案6】：

和已经发布的类似，只是使用位移位和掩码来获取位；可用于任何类型，作为模板（~~只是不确定是否有标准方法来获取 1 个字节中的位数，我在这里使用了 8 个~~）。

#include<iostream>
#include <climits>

template<typename T>
void printBin(const T& t){
    size_t nBytes=sizeof(T);
    char* rawPtr((char*)(&t));
    for(size_t byte=0; byte<nBytes; byte++){
        for(size_t bit=0; bit<CHAR_BIT; bit++){
            std::cout<<(((rawPtr[byte])>>bit)&1);
        }
    }
    std::cout<<std::endl;
};

int main(void){
    for(int i=0; i<50; i++){
        std::cout<<i<<": ";
        printBin(i);
    }
}

【讨论】：

获取每字节位数的标准方法是宏CHAR_BIT。
根据@R.MartinhoFernandes 的评论，sbi 似乎编辑了Εύδοξος 的帖子。但是，他并没有改变最后一句话。我会编辑。

【解决方案7】：

可复用功能：

template<typename T>
static std::string toBinaryString(const T& x)
{
    std::stringstream ss;
    ss << std::bitset<sizeof(T) * 8>(x);
    return ss.str();
}

用法：

int main(){
  uint16_t x=8;
  std::cout << toBinaryString(x);
}

这适用于所有类型的整数。

【讨论】：

【解决方案8】：

#include <iostream> 
#include <cmath>       // in order to use pow() function
using namespace std; 

string show_binary(unsigned int u, int num_of_bits);

int main() 
{ 

  cout << show_binary(128, 8) << endl;   // should print 10000000
  cout << show_binary(128, 5) << endl;   // should print 00000
  cout << show_binary(128, 10) << endl;  // should print 0010000000

  return 0; 
}

string show_binary(unsigned int u, int num_of_bits) 
{ 
  string a = "";

  int t = pow(2, num_of_bits);   // t is the max number that can be represented

  for(t; t>0; t = t/2)           // t iterates through powers of 2
      if(u >= t){                // check if u can be represented by current value of t
          u -= t;
          a += "1";               // if so, add a 1
      }
      else {
          a += "0";               // if not, add a 0
      }

  return a ;                     // returns string
}

【讨论】：

不应该是int t = pow(2, num_of_bits - 1); 吗？

【解决方案9】：

使用旧的 C++ 版本，你可以使用这个 sn -p ：

template<typename T>
string toBinary(const T& t)
{
  string s = "";
  int n = sizeof(T)*8;
  for(int i=n-1; i>=0; i--)
  {
    s += (t & (1 << i))?"1":"0";
  }
  return s;
}

int main()
{
  char a, b;

  short c;
  a = -58;
  c = -315;

  b = a >> 3;

  cout << "a = " << a << " => " << toBinary(a) << endl;
  cout << "b = " << b << " => " << toBinary(b) << endl;
  cout << "c = " << c << " => " << toBinary(c) << endl;
}

a = => 11000110
b = => 11111000
c = -315 => 1111111011000101

【讨论】：

打印错误的位数。 111 000 110 是 9 位，而不是 8 位。
我犯了边界错误，请立即检查

【解决方案10】：

使用 std::bitset 答案和便利模板：

#include <iostream>
#include <bitset>
#include <climits>

template<typename T>
struct BinaryForm {
    BinaryForm(const T& v) : _bs(v) {}
    const std::bitset<sizeof(T)*CHAR_BIT> _bs;
};

template<typename T>
inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const BinaryForm<T>& bf) {
    return os << bf._bs;
}

像这样使用它：

auto c = 'A';
std::cout << "c: " << c << " binary: " << BinaryForm{c} << std::endl;
unsigned x = 1234;
std::cout << "x: " << x << " binary: " << BinaryForm{x} << std::endl;
int64_t z { -1024 };
std::cout << "z: " << z << " binary: " << BinaryForm{z} << std::endl;

生成输出：

c: A binary: 01000001
x: 1234 binary: 00000000000000000000010011010010
z: -1024 binary: 1111111111111111111111111111111111111111111111111111110000000000

【讨论】：

【解决方案11】：

这是获得数字二进制表示的真正方法：

unsigned int i = *(unsigned int*) &x;

【讨论】：

否；这只是将 x 复制到 i 中。除非你是开玩笑的？

【解决方案12】：

这是你要找的吗？

std::cout << std::hex << val << std::endl;

【讨论】：

版主说明我试图在这个答案下有选择地清除对抗性或非建设性的 cmet，结果我的谈话非常破裂。清除所有 cmets。请保持 cmets 的专业性、建设性和最重要的主题。如果 OP 想要删除它，那么 OP 早就将其删除了。如果您不同意这个答案，请投票。如果您可以改进此答案，请编辑。 </argument>。真的，我们是成年人，是吗？我几乎检查了所有评论的年龄，以确保每个人都超过 13 岁。