STL源码分析--bitset

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bitset

2 bitset

bitset中STL中用于表示位图的容器，它支持读写特定bit、从整数或字符串生成bitset对象。bitset大小通过模板参数指定，一旦编译器确定便无法变更，这一点与vector<bool>有差异。

2.1 数据结构

bitset是_Base_bitset的派生类。_Base_bitset中包含一个长度_Nw，类型unsigned long的数组，其中_Nw通过模板参数指定。在64位系统中，unsigned long长度为8 Byte。

注意，这里_Nb不一定是8 * sizeof(unsigned)的整数倍，所以需要宏__BITSET_WORDS对其进行向上取整操作。

template<size_t _Nb>
class bitset : private _Base_bitset<__BITSET_WORDS(_Nb)>
{
private:
  typedef _Base_bitset<__BITSET_WORDS(_Nb)> _Base;
  typedef unsigned long _WordT;
  ...
}

template<size_t _Nw>
struct _Base_bitset {
  typedef unsigned long _WordT;

  _WordT _M_w[_Nw];                // 0 is the least significant word.
  ...
}

2.2 重要接口

• 从整数构造bitset
  首先对数组清零，然后将__val值赋给数组的首个元素。最后使用_M_do_sanitize判断_Nb是不是sizeof(unsigned long)的整数倍，否则将right padding bits全部置为1。

  bitset(unsigned long __val) : _Base_bitset<__BITSET_WORDS(_Nb)>(__val)
    { _M_do_sanitize(); }

  _Base_bitset(unsigned long __val) {
    _M_do_reset();
    _M_w[0] = __val;
  }

  void _M_do_sanitize() {
    _Sanitize<_Nb%__BITS_PER_WORD>::_M_do_sanitize(this->_M_hiword());
  }

template <size_t _Extrabits> struct _Sanitize {
  static void _M_do_sanitize(unsigned long& __val)
    { __val &= ~((~static_cast<unsigned long>(0)) << _Extrabits); }
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct _Sanitize<0> {
  static void _M_do_sanitize(unsigned long) {}
};

• 从字符串构造bitset
  由字符‘0‘, ‘1‘组成的字符串构造bitset。注意: 字符串从左到右，对应的bit在bitset中从右到左。因为字符串中, 左边为高位，bitset中右边为高位。

  explicit bitset(const basic_string<char>& __s,
                  size_t __pos = 0,
                  size_t __n = basic_string<char>::npos)
    : _Base()
  {
    if (__pos > __s.size())
      __STL_THROW(out_of_range("bitset"));
    _M_copy_from_string(__s, __pos, __n);
  }

• to_ulong: 将bitset转化为ulong类型

• to_string: 将bitset转化为‘0‘ ‘1‘组成的字符串

• <<=: 逻辑左移，移出部分补零。注意：在实现上，数组_M_w中低位对应bitset中低位，因此，对bitset的左移操作其实就是对数组的右移操作，右移同理。如果移动位数是8 * sizeof(unsigned long)的整数倍，则直接移动数组中元素即可。

      const size_t __sub_offset = __BITS_PER_WORD - __offset;
      for (size_t __n = _Nw - 1; __n > __wshift; --__n)
        _M_w[__n] = (_M_w[__n - __wshift] << __offset) |
                    (_M_w[__n - __wshift - 1] >> __sub_offset);
      _M_w[__wshift] = _M_w[0] << __offset;
    }

• >>=: 逻辑右移

      const size_t __sub_offset = __BITS_PER_WORD - __offset;
      for (size_t __n = 0; __n < __limit; ++__n)
        _M_w[__n] = (_M_w[__n + __wshift] >> __offset) |
                    (_M_w[__n + __wshift + 1] << __sub_offset);
      _M_w[__limit] = _M_w[_Nw-1] >> __offset;

• |=: 按位或
• &=: 按位与
• ^+: 按位异或
• set: 置位
• reset: 清零
• flip: 翻转
• ~: 全部翻转
• count: count为了快速计算bitset中1的个数，使用了查找表的技巧。查找表中key为byte值，value为该byte值中1的个数。count方法遍历数组中每个字节，通过查找表计算每个字节中1的个数，并累加之。
• size: 返回bitset大小
• test: 判断bitset中某位是否为1
• any: 判断bitset中是否有至少一个1
• none: 同any相反
• all: 判断bitset中是否全为1

留下问题给读者思考：为何bitset中的数组类型是unsigned long而非unsigned char?

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