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Table des matières
Les tableaux de bits
Vous avez déjà rencontrer la classe std::bitset dans le chapitre Logique binaire et calcul booléen, pour afficher une séquence de bits.
- main.cpp
#include <iostream> #include <bitset> int main() { const std::bitset<8> b1 { 0b101010 }; std::cout << "0b" << b1 << std::endl; const std::bitset<8> b2 { 42 }; std::cout << "0b" << b2 << std::endl; }
affiche :
0b00101010 0b00101010
Ce chapitre détaille l'utilisation de cette classe std::bitset et les notions de flag et mask. Les notions vues dans les chapitres Logique binaire et calcul booléen et [Aller plus loin] L'algèbre de Boole seront utilisees, n'hesitez pas a les relire si nécessaire.
Créer un std::bitset
La classe std::bitset est une classe template prenant en argument le nombre de bits. La taille d'un std::bitset est donc déterminée à la compilation (Pour rappel, vous avez déjà rencontré une classe qui a une taille déterminée à la compilation : std::array).
Le nombre de bits gérés par std::bitset est un argument template (donc qui s'écrit entre chevrons <>) de type entier.
std::bitset<TAILLE>
Il existe différentes méthodes pour initialiser un std::bitset :
- avec une valeur entiere ;
- avec une chaîne de caractères.
La méthode la plus simple pour initialiser un std::bitset est de lui fournir une valeur entière lors de l'initialisation, de préférence en utilisant une représentation binaire (avec le préfixe 0b et les chiffres 0 et 1) ou hexadécimale (avec le préfixe 0x et les symboles 0 a 9 et a a f, en minuscule ou majuscule). Si aucune valeur n'est fournie, std::bitset est initialisé avec la valeur nulle.
- main.cpp
#include <bitset> int main() { const std::bitset<8> b; const std::bitset<8> b8 { 0b101010 }; const std::bitset<16> b16 { 0xA1B2 }; }
Pour faciliter la création de std::bitset à partir d'une entrée utilisateur (flux standard, fichier, etc), il est également possible d'initialiser un std::bitset à partir d'une chaîne de caractères. La syntaxe peut etre différente selon si vous utiliser une littérale chaîne ou un type std::string.
Le cas le plus simple est d'initialiser un std::bitset a partir d'une chaîne complète, constituée des caractères 0 et 1. Dans ce cas, la syntaxe est identique pour une littérale et un std::string :
- main.cpp
#include <bitset> #include <string> int main() { const std::bitset<8> b1 { "101010" }; const std::string s { "101010" }; const std::bitset<8> b2 { s }; }
Notez bien qu'il ne faut pas ajouter de préfixe dans la chaîne de caractères.
Un std::bitset peut également etre initialise a partir d'une sous-chaîne de caractères (c'est a dire une partie d'une chaîne de caractères). La syntaxe est différentes entre une littérale et un st::string :
- pour une littérale, l'initialisation de
std::bitsetne peut prendre qu'un seul argument optionnel supplémentaire : le nombre de caractères a conserver ; - pour un
std::string,std::bitsetpeut prendre deux arguments optionnels supplémentaires : la position du premier caractère et le nombre de caractères a conserver.
Un exemple concret avec une littérale chaîne :
- main.cpp
#include <bitset> #include <iostream> int main() { const std::bitset<8> b1 { "1010101011", 4}; // les 4 premiers caractères = "1010" std::cout << b1 << std::endl; const std::bitset<8> b2 { "1010101011", 8}; // les 8 premiers caractères = "10101010" std::cout << b2 << std::endl; }
affiche :
00001010 10101010
Avec un std::string :
- main.cpp
#include <bitset> #include <string> #include <iostream> int main() { const std::string s { "1010101011" }; const std::bitset<8> b1 { s, 4 }; // commence a l'indice 4 = "101011" std::cout << b1 << std::endl; const std::bitset<8> b2 { s, 4, 2 }; // commence a l'indice 4 et conserve // 2 caractères = "10" std::cout << b2 << std::endl; }
affiche :
00101011 00000010
N'oubliez pas qu'en C++, les indices dans les tableaux (et donc dans les chaines de caractères, puisqu'elles peuvent être considérées comme des tableaux de caractères) commencent a l'indice 0. Donc l'indice 4 correspond au cinquième caractère :
chaine : 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1
indice : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
^
Pour terminer, il est possible d'utiliser d'autres caractères que 0 et 1. Pour cela, il faut fournir deux arguments supplémentaires, correspondent respectivement aux caractères a utiliser a la place de 0 et de 1.
- main.cpp
#include <bitset> #include <string> #include <iostream> int main() { const std::bitset<8> b1 { "BABBABBA", 8, 'A', 'B' }; std::cout << b1 << std::endl; const std::string s { "YXYYXYYX" }; const std::bitset<8> b2 { s, 0, 8, 'X', 'Y' }; std::cout << b2 << std::endl; }
affiche :
10110110 10110110
Notez que les caractères utilisés pour représenter le std::bitset ne le sont que pour l'initialisation. La représentation en mémoire sera toujours identique et l'affichage utilisera par défaut les caractères 0 et 1.
En C++, les arguments sont identifies par leur position dans l'appel d'une fonction. Par exemple pour initialiser std::bitset (avec position qui représente la position du premier caractère et taille qui correspond au nombre de caractères a conserver :
const size_t position { 2 };
const size_t taille { 4 };
const std::bitset<8> b { s, position, taille };
Cela implique qu'il n'est pas possible de changer l'ordre des arguments dans une fonction :
const std::bitset<8> b { s, taille, position };
Dans ce code, le compilateur ne va pas utiliser taille pour le nombre de caractères et position pour la position du premier caractère (donc prendre 4 caractères a partir de la position 2), mais va prendre 2 caractères a partir de la position 4.
Pour la même raison, si on fournit un argument optionnel, les arguments optionnels qui le précédent ne sont plus optionnels.
const std::bitset<8> b { s, taille };
Dans ce code, le compilateur ne va pas utiliser l'argument taille fournit et considérer que l'argument position prend sa valeur par défaut 0 (donc prendre 4 caractères a partir de la position 0), mais va utiliser taille comme position (donc prendre tous les caractères après la position 4).
Les arguments de fonction, en particulier l'ordre des arguments et les arguments optionnels seront vu en détail dans les chapitres sur la création de fonctions.
Notez qu'il est possible d'affecter une valeur entière à un std:bitset en utilisant l'opérateur =, mais ce n'est pas possible directement avec une chaîne de caractères.
std::bitset<8> b; b = 0b110011; // ok b = "110011"; // erreur
En fait, la classe std::bitset ne propose pas d'opérateur d'affectation = pour utiliser une valeur entière. Pourquoi est-il possible dans ce cas de pouvoir utiliser = ?
La classe std::bitset est copiable, ce qui signifie qu'il est possible d'affecter un std::bitset à un autre std::bitset.
std::bitset<8> b1; std::bitset<8> b2; b2 = b1; // ok
Dans le cas d'une valeur entière, le compilateur est autorisé à créer automatiquement et de façon transparente un std::bitset à partir de cette valeur. C'est à dire à remplacer :
b = 0b110011; // ok
Par :
b = std::bitset { 0b110011 }; // ok
Le compilateur réalise une conversion implicite.
Dans le cas des chaînes de caractères, cette conversion implicite est interdite, le compilateur ne peut réaliser que des conversions explicites (c'est à dire que le développeur doit explicitement écrire cette conversion).
std::bitset<8> b;
b = 0b110011; // ok, conversion implicite
b = std::bitset<8> { "110011" }; // ok, conversion explicite
Les conversion explicites et implicites seront détaillées dans la partie sur la création de classes.
Afficher et convertir en chaîne de caractères
Comme vous l'avez vu dans les codes précédents, un std::bitset peut être affiche directement avec std::cout.
- main.cpp
#include <iostream> #include <bitset> int main() { const std::bitset<8> b1 { 0b101010 }; std::cout << "0b" << b1 << std::endl; }
affiche :
0b00101010
Dans ce cas, std::bitset sera affiche en utilisant les caractères 0 et 1, avec autant de caractères que définie dans l'argument template de std::bitset (donc en complétant avec 0 si nécessaire).
La fonction to_string permet de transformer un std::bitset en une chaîne de caractères, en utilisant par défaut les caractères 0 et 1 (c'est l’opération inverse de l'initialisation avec une chaîne). Cette fonction peut prendre deux arguments optionnels, correspondant aux caractères a utiliser respectivement pour 0 et 1.
La chaîne de caractères produite peut être conservée dans une variable ou être directement affichée avec std::cout.
- main.cpp
#include <iostream> #include <bitset> int main() { const std::bitset<8> b { 0b101010 }; std::cout << b.to_string() << std::endl; std::cout << b.to_string('.') << std::endl; std::cout << b.to_string('A', 'B') << std::endl; }
affiche :
00101010 ..1.1.1. AABABABA
Manipuler individuellement les bits
Conceptuellement, std::bitset est un tableau compact de booléens. Il est donc possible de manipuler directement chaque bit comme une valeur booléenne, de la lire ou de la modifier directement dans std::bitset.
Pour connaitre la taille d'un std::bitset (c'est a dire connaitre la valeur de l'argument template TAILLE utilise pour initialiser le std::bitset), vous pouvez utiliser la fonction size.
size pour connaitre la taille du tableau (std::vector, std::array, std::string, etc). Avoir un interface cohérente simplifie la mémorisation et évite les erreurs. Conservez cette idée en tête lorsque vous créerez vos propres interfaces.
- main.cpp
#include <iostream> #include <bitset> int main() { const std::bitset<8> b8{}; std::cout << b8.size() << std::endl; const std::bitset<16> b16{}; std::cout << b16.size() << std::endl; }
affiche :
8 16
L'operateur []
Comme pour les autres tableaux de la bibliothèque standard (std::array, std::vector, etc.), l'opérateur [] permet d'accéder aux élément d'un std::bitset. Comme toujours, l'indice doit avoir une valeur comprise entre 0 et SIZE-1.
- main.cpp
#include <iostream> #include <bitset> #include <cassert> int main() { const std::bitset<8> b8 { 0b110111 }; size_t index { 0 }; assert(index < b8.size()); std::cout << b8[index] << std::endl; index = 6; assert(index < b8.size()); std::cout << b8[index] << std::endl; }
affiche :
1 0
Notez bien que le bit correspondant à l'indice 0 est celui le plus à droite dans la représentation binaire (le bit de poids faible), le second bit est le second en partant de la droite et ainsi de suite.
- main.cpp
#include <iostream> #include <bitset> int main() { const std::bitset<8> b8 { 0b110111 }; std::cout << b8[0] << ' ' << b8[1] << ' ' << b8[2] << ' ' << b8[3] << ' ' << b8[4] << ' ' << b8[5] << ' ' << b8[6] << ' ' << b8[7] << std::endl;
affiche :
1 1 1 0 1 1 0 0
L'opérateur [] est également utilisé pour modifier la valeur d'un bit en particulier, utilisant simplement l'opérateur d'affectation =, comme vous le feriez avec n'importe quelle variable.
- main.cpp
#include <iostream> #include <bitset> int main() { std::bitset<8> b8{}; std::cout << b8 << std::endl; b8[0] = true; b8[5] = true; std::cout << b8 << std::endl; }
affiche :
00000000 00100001
test
std::bitset propose également la fonction test pour accéder en lecture seule à un bit spécifique. La différence avec l’opérateur [] est que la fonction test vérifie si les accès en dehors du tableau. Comme pour la fonction std::vector::at, cela est assimilé à de la programmation défensive et n'est pas recommandé.
Les fonctions set, reset et flip
Tester plusieurs bits
La classe std::bitset permet de tester plusieurs bits :
allpermet de tester si tous les bits ont la valeurtrue;anypermet de tester si au moins un bit à la valeurtrue;nonepermet de tester si aucun bit n'a la valeurtrue;countpermet de compter le nombre de bits qui ont la valeurtrue.
- main.cpp
#include <iostream> #include <bitset> int main() { const std::bitset<4> b1("0000"); const std::bitset<4> b2("0101"); const std::bitset<4> b3("1111"); std::cout << "bitset\t" << "all\t" << "any\t" << "none\t" << "count" << std::endl; std::cout << b1 << '\t' << b1.all() << '\t' << b1.any() << '\t' << b1.none() << '\t' << b1.count() << std::endl; std::cout << b2 << '\t' << b2.all() << '\t' << b2.any() << '\t' << b2.none() << '\t' << b2.count() << std::endl; std::cout << b3 << '\t' << b3.all() << '\t' << b3.any() << '\t' << b3.none() << '\t' << b3.count() << std::endl; }
affiche :
bitset all any none count 0000 0 0 1 0 0101 0 1 0 2 1111 1 1 0 4
Masquage et drapeau
tester un bit : mask, flag, opérateur ET bit à bit, test() forcer un bit : OU bit a bit
tester plusieurs bit : count, all, any, none (cf algo)
Plusieurs fois des données de même type. Accès avec un indice, partant de 0. Taille fixé à la compilation ou à l'exécution : bitset à la compilation (vector<bool> à l'exécution).
Validation taille : assert connaitre la taille : size
Exercices
A partir de la représentation binaire d'un nombre (42 = 0b0000000000101010)
- Compter le nombre de 1 dans la représentation
- trouver la plus longue chaîne de 1 dans la représentation
Exercices avancees (necessite de connaitre les classes) :
- creer une classe bitset_view
- creer une classe bitset_array_view
