实现小尝试—C++ STL bitset

关于bitset

bitset是C++ STL中的一种容器，用以标记一种0、1的位状态，可以声明一定长度的二进制位，然后每一位只能是0或者1。需要包含头文件<bitset>。

如何小实现一下？

一、数据部分

可以使用一个unsigned long long的数组来保存，每一个数长度为64位，根据声明的长度来确定数组的长度。
于是数据结构的存储如下：

class BitState{protected:    unsigned int bitlen;    unsigned int numlen;    unsigned long long *bits;};

我称其为BitState,有一个bitlen来保存声明的二进制位数，numlen保存数组的长度，bits指针指向存储数组。

二、操作部分

首先，我们需要构造函数：

可能需要包含以下几种：

BitState();//无参构造函数BitState(unsigned int len);//带参数len的构造函数，声明一个二进制长度为len的BitStateBitState(unsigned int len, unsigned long long val);//传入len的同时，传入一个无符号64位整形数，用这个数初始化BitState。BitState(const BitState &tmp);//拷贝构造函数，实现深拷贝

对于BitState();实现：

BitState::BitState(){    bitlen = 8*sizeof(unsigned long long);    numlen = 1;    bits = new unsigned long long[numlen];}

默认就让它占一个unsigned long long大小，用sizeof防止不同编译器unsigned long long大小不一样，不过貌似都是64位的。

对于BitState(int len);实现：

BitState::BitState(unsigned int len){    bitlen = len;    numlen = (len+8*sizeof(unsigned long long)-1)/sizeof(unsigned long long)/8;    bits = new unsigned long long[numlen];}

由于此处计算numlen应该使用上取整，对于x/y，上取整应该是(x+y-1)/y。

对于BitState(unsigned int len, unsigned long long val);实现：

BitState::BitState(unsigned int len, unsigned long long val){    bitlen = len;    numlen = (len+8*sizeof(unsigned long long)-1)/sizeof(unsigned long long)/8;    bits = new unsigned long long[numlen];    if (len) bits[0] = val;}

这里需对len为0的情况进行判断，防止bits[0]越界。

对于BitState(const BitState &tmp);实现：

BitState::BitState(const BitState &tmp){    bitlen = tmp.bitlen;    numlen = tmp.numlen;    bits = new unsigned long long[numlen];    for (int i = 0; i < numlen; ++i) bits[i] = tmp.bits[i];}

这里需要遍历bits来进行深拷贝。

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然后，我们需要析构函数：

~BitState();

如下实现：

BitState::~BitState(){    delete bits;}

需要删除bits防止内存泄漏。

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其次，我们还有实现一些bitset拥有的功能

bool any();//是否存在置为1的二进制位？bool none();//不存在置为1的二进制位吗？unsigned int count();//置为1的二进制位的个数unsigned int size();//二进制位的个数b[pos]//访问b中在pos处的二进制位bool test(unsigned int pos);//在pos处的二进制位是否为1？void set();//把所有二进制位都置为1void set(unsigned int pos);//在pos处的二进制位置为1void reset();//把所有二进制位都置为0void reset(unsigned int pos);//在pos处的二进制位置为0void flip();//把所有二进制位逐位取反void flip(unsigned int pos);//在pos处的二进制位取反unsigned long long to_ulong()//返回一个unsigned long值

接下来逐个实现，除了下标运算符用get函数实现，其余不变：

bool BitState::any(){    for (int i = 0; i < numlen; ++i)        if (bits[i]) return true;    return false;}

这个比较简单，判断是否有数为非负即可。

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bool BitState::none(){    for (int i = 0; i < numlen; ++i)        if (bits[i]) return false;    return true;}

这个和any正好相反

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unsigned int BitState::count(){    unsigned all = 0, tmp;    for (int i = 0; i < numlen; ++i)    {        tmp = bits[i];        while (tmp)        {            all++;            tmp = tmp&(tmp-1);        }    }    return all;}

这里使用x&(x-1)这个来每次消掉x最低位1，来计算其中1的个数。

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unsigned int BitState::size(){    return bitlen;}

这个直接返回即可。

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bool BitState::get(unsigned int pos){    if (pos >= bitlen) return 0;    int numsize = 8*sizeof(unsigned long long);    int x = pos/numsize, y = pos%numsize;    return bits[x]&(1ULL<<y);}

这个先计算出x在那个数中，然后计算出y在哪一位中，最后通过位运算取到结果。

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bool BitState::test(unsigned int pos){    if (pos >= bitlen) return false;    int numsize = 8*sizeof(unsigned long long);    int x = pos/numsize, y = pos%numsize;    return bits[x]&(1ULL<<y);}

和get一样。

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void BitState::set(){    if (bitlen == 0) return;    for (int i = numlen-2; i >= 0; --i)    {        bits[i] = 0;        bits[i] = ~bits[i];    }    unsigned int rest = bitlen-(numlen-1)*sizeof(unsigned long long);    bits[numlen-1] = ((1ULL<<(rest-1))-1)<<1|1;}

首先对bitlen为0的情况特判，然后将低的numlen-1个数赋值为全1的二进制，最后的最高的rest位进行特殊处理。因为高出rest的位理论上应该是0。操作是先将1向左位移rest-1位（不位移rest位是防止溢出），然后减一，得到rest-1位全为1，然后左移一位，末尾补1。当然可以一位一位直接或1得到结果。

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void BitState::set(unsigned int pos){    if (pos >= bitlen) return;    int numsize = 8*sizeof(unsigned long long);    int x = pos/numsize, y = pos%numsize;    bits[x] |= 1ULL<<y;}

这个就是对这一位或一个1。

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void BitState::reset(){    for (int i = 0; i < numlen; ++i)        bits[i] = 0;}

全部置为0。

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void BitState::reset(unsigned int pos){    if (pos >= bitlen) return;    int numsize = 8*sizeof(unsigned long long);    int x = pos/numsize, y = pos%numsize;    bits[x] |= 1ULL<<y;    bits[x] ^- 1ULL<<y;}

这个就是先对该位或1，让他变成1，然后用抑或取反。

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void BitState::flip(){    if (bitlen == 0) return;    for (int i = 0; i < numlen; ++i)        bits[i] = ~bits[i];    unsigned int rest = bitlen-(numlen-1)*sizeof(unsigned long long);    bits[numlen-1] &= ((1ULL<<(rest-1))-1)<<1|1;}

这个先全部取反，对于高rest位，与上一个rest位全1的，消掉剩余高位。

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void flip(unsigned pos){    if (pos >= bitlen) return;    if (test(pos)) reset(pos);    else set(pos);}

通过判断该位是0还是1，来进行设置。

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unsigned long long to_ulong(){    if (bitlen == 0) return 0;    else return bits[0];}

返回第0个数，高出的全部算作溢出吧。

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最后，我们还需要重载一些运算符：

BitState operator&(const BitState &tmp) const;BitState operator|(const BitState &tmp) const;BitState operator^(const BitState &tmp) const;BitState operator~() const;

BitState operator&(const BitState &tmp) const{    BitState ans(tmp.bitlen>bitlen ? tmp.bitlen : bitlen);    ans.reset();    int minlen = tmp.numlen<numlen ? tmp.numlen : numlen;    for (int i = 0; i < minlen; ++i)        ans.bits[i] = tmp.bits[i]&bits[i];    return ans;}

直接抑或，直到到达某一个的最大长度。

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BitState operator|(const BitState &tmp) const{    BitState ans(tmp.bitlen>bitlen ? tmp.bitlen : bitlen);    ans.reset();    int minlen = tmp.numlen<numlen ? tmp.numlen : numlen;    for (int i = 0; i < minlen; ++i)        ans.bits[i] = tmp.bits[i]|bits[i];    for (int i = minlen; i < tmp.numlen; ++i)        ans.bits[i] = tmp.bits[i];    for (int i = minlen; i < numlen; ++i)        ans.bits[i] = bits[i];    return ans;}

这个和与不同的是，高出的部分全部赋值。由于只可能一长一短，所以最后两个for循环只会执行一个。

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BitState operator|(const BitState &tmp) const{    BitState ans(tmp.bitlen>bitlen ? tmp.bitlen : bitlen);    ans.reset();    int minlen = tmp.numlen<numlen ? tmp.numlen : numlen;    for (int i = 0; i < minlen; ++i)        ans.bits[i] = tmp.bits[i]^bits[i];    for (int i = minlen; i < tmp.numlen; ++i)        ans.bits[i] = tmp.bits[i];    for (int i = minlen; i < numlen; ++i)        ans.bits[i] = bits[i];    return ans;}

这个和或类似。

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未完待续。