使用C#处理基于比特流的数据

0x00 起因

最近需要处理一些基于比特流的数据，计算机处理数据一般都是以byte（8bit）为单位的，使用BinaryReader读取的数据也是如此，即使读取bool型也是一个byte。不过借助于C#基础类库中提供的一些方法，也实现了对基于比特的数据的读取。任务完成后觉得基于比特的数据挺有意思，自己试了下用7比特和6比特编码常用ASCII字符。最后把一点新的写成博客，一方面做个记录，另一方面希望对有类似需求的园友有所帮助。

0x01 比特流数据的读取

假设我们有一个byte b = 35，而我们需要把其中的前4bit和后4bit分别读取为两个数字，那么应该怎么做呢。虽然没有在基础类库中找到现成的方法，但用二进制字符串中转一下，分两步也可以做到。

1、先把b表示为二进制字符串00100011

2、分别取其前后4bit转为数字，核心方法就是：

Convert.ToInt32("0010");

这样就实现了基于比特的数据读取了。

关于第一步中把byte转化为二进制字符串有很多种方法，

1、最简单的Convert.ToString(b,2)。不够8位就在高位用0补足。

2、也可以把byte分别与1,2,4,8 … 128做与运算，由低到高取出各位。

3、也可以把byte和32做与运算，然后把byte左移再次与128做与运算。

其中第一种方法会产生大量的字符串对象，在第2、3种方法没有找到太大区别，我选择的3，纯靠感觉。代码如下：

public static char[] ByteToBinString(byte b)
{
　　var result = new char[8];
　　for (int i = 0; i < 8; i++)
　　{
　　　　var temp = b & 128;
　　　　result[i] = temp == 0 ? '0' : '1';
　　　　b = (byte)(b << 1);
　　}
　　return result;
}

为了能将byte[]转化为二进制字符串，可以

Public string BitReader(byte[] data)
{
    BinString = new StringBuilder(data.Length * 8);
    for (int i = 0; i < data.Length; 
    {
         BinString.Append(ByteToBinString(data[i]));
    }
    return BinString.ToString();
}

这样一来当拿到byte[]数据时,可以转换为二进制字符串保存起来，根据偏移的bit位置和bit长度从中读取二进制字符串，并保转换为bool，Int16，Int32等。基于这个思路，可以写一个BitReader类，其中用StringBuilder存储二进制字符串，并提供Read方法从二进制字符串中读取数据。为了能够更好的处理数据流，在此基础上添加一个Position记录当前偏移，当使用某些Read方法读取数据时，Position也会相应移动。例如使用ReadInt16读取数据，BitReader会从Position当前位置，读取16bit并转换为Int16返回，同时Position向后移动16bit。区分方式就是当读取数据时需要指定起始的偏移位置时，Position不移动，直接从当前Position读取时Position移动，BitReader类部分代码如下：

 1 public class BitReader
 2 {
 3     public readonly StringBuilder BinString;
 4     public int Position { get; set; }
 5 
 6     public BitReader(byte[] data)
 7     {
 8         BinString = new StringBuilder(data.Length * 8);
 9         for (int i = 0; i < data.Length; i++)
10         {
11             BinString.Append(ByteToBinString(data[i]));
12         }
13         Position = 0;
14     }
15 
16     public byte ReadByte(int offset)
17     {
18         var bin = BinString.ToString(offset, 8);
19         return Convert.ToByte(bin, 2);
20     }
21 
22     public byte ReadByte()
23     {
24         var result = ReadByte(Position);
25         Position += 8;
26         return result;
27     }
28 
29     public int ReadInt(int offset, int bitLength)
30     {
31         var bin = BinString.ToString(offset, bitLength);
32         return Convert.ToInt32(bin, 2);
33     }
34 
35     public int ReadInt(int bitLength)
36     {
37         var result = ReadInt(Position, bitLength);
38         Position += bitLength;
39         return result;
40     }
41 
42     public static char[] ByteToBinString(byte b)
43     {
44         var result = new char[8];
45         for (int i = 0; i < 8; i++)
46         {
47             var temp = b & 128;
48             result[i] = temp == 0 ? '0' : '1';
49             b = (byte)(b << 1);
50         }
51         return result;
52      }
53 }

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