c - 从无符号int提取位的函数

Question

编写一个名为bitpat_get()的函数来提取指定的位集。让它接受三个参数：第一个anunsigned int，第二个是整数起始位，第三个是位计数。按照最左边的位从0开始的惯例，从第一个参数中提取指定数量的位并返回结果。所以这个电话
bitpat_get(x, 0, 3)
从中提取最左边的三个位。电话
bitpat_get(x, 3, 5)
从左边的第四位开始提取五位。
我真的不知道作者提取位是什么意思，所以我几乎可以肯定我的代码是错误的，无论它返回什么都不是预期的返回值。不过，我还是会贴出来的：

#include <stdio.h>

unsigned int bitpat_get(unsigned int from, int start, int n);

int main(void)
{
    unsigned int x = 0xe1f4;

    printf("%x\n", bitpat_get(x, 0, 3));
    printf("%x\n", bitpat_get(x, 3, 5));
}

unsigned int bitpat_get(unsigned int from, int start, int n)
{
    unsigned int result = from;
    int bits;

    for (bits = 0; (from >> bits) != 0; ++bits)
        continue;

    unsigned int mask = (((1U << n) - 1) << (bits - n - start));

    result = from ^ mask;

    return result;
}

输出：

1f4
fef4

Answer 1

我真的不知道作者所说的提取比特是什么意思。
我们先解决这个问题。假设您有一个16位无符号整数，则位位置为：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|a|b|c|d|e|f|g|h|i|j|k|l|m|n|o|p|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

所以表达式应该给出从偏移量0开始的三位，或者说bitpat_get(x, 0, 3)。类似地，abc将在偏移量3处给您5位，或者bitpat_get(x, 3, 5)。
这应该足以理解你需要做什么。
就你需要做什么来实现这个目标而言，这是一个两步操作。第一种方法是实际地将位右移（a），使所需的位处于最右边的位置。这取决于三条信息：
defgh的位宽度；
要提取的偏移；以及
要提取的位数。
要移动的距离是unsigned int。对于第一种情况，这将是bitWidth - offset - bitsNeeded并且您可以看到将位向右移动13将把所需的位放在最右边的部分：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|a|b|c|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

对于第二种情况，向右移动16 - 0 - 3 = 13可以：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|a|b|c|d|e|f|g|h|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

第二步是屏蔽掉左边那些你根本不需要的部分。我们先做第二个案子，因为那有实际效果。
掩模基本上是一系列的一位在右边，可以通过从零开始，左移一位来获得你需要的每一位位置。对于需要5位的情况，序列将是二进制的16 - 3 - 5 = 8，0，1，11，111，1111和11111。按位并使用该值将给出：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|a|b|c|d|e|f|g|h| <- value
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|1|1|1|1|1| <- "and" with
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|d|e|f|g|h| <- gives
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

对于需要三位的第一种情况，掩码将是二进制的，因此不会影响原始值，因为最左边的所有位都已经为零。
注意，您不需要在循环中执行此操作，因为正如您的代码所示，您可以使用单个表达式计算它：

unsigned mask = (1U << n) - 1U;

从你发布的代码来看，我发现了一些问题。
首先，我认为您的111部分是为了找出2n - 1的位宽度，这取决于您以后对该值的使用。但是，您根据传入的值计算它，这是不正确的。你应该建立在一个比特模式的基础上，最左边的比特是一个。
换言之，想想如果传入的值是3（二进制for..continue），那么当前循环将执行什么操作-位宽度将计算为2，因为只经过两次移位，最终将为零。所以，更好的方法是：

unsigned testVal = ~0U; // all one bits
for (bits = 0; testVal != 0; ++bits, testVal = testVal >> 1)
    ;

其次是你的面具计算。您的代码设置为就地提取位，这意味着您只需将它们周围的所有其他位设置为零。最好把它们移到右边提取（a）。
第三，您应该知道unsigned int是异或操作，如果您使用一个所有位的掩码，它将反转这些位，而不是按原样提取它们。你要找的接线员是11。
举例来说，将xor运算符与^一起使用将给出：

                     1 1 1 1 1 1
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|1|0|1|0|1| <- value (21)
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|1|1|1|1|1| <- "xor" with
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|1|0|1|0| <- `01010` (10): NOT the correct `10101`
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

这么说之后，我会把函数写成这样：

unsigned bitpat_get(unsigned from, unsigned start, unsigned count) {
    // Only need calculate this once, first time it's called.

    static unsigned bitWidth = 0;
    if (bitWidth == 0) {
        unsigned testVal = ~0U;
        while (testVal != 0) {
            bitWidth++;
            testVal = testVal >> 1;
        }
    }

    // Get the value you need to shift by.

    unsigned shiftCount = bitWidth - start - count;

    // Use this line if in-place bits needed.
    // unsigned mask = ((1U << count) - 1U) << shiftCount;

    // Or use these two lines if you need it on the right.
    from = from >> shiftCount;
    unsigned mask = (1U << count) - 1U;

    // Mask and return the bits.

    unsigned result = from & mask;

    return result;
}

唯一棘手的地方是使用静态&，所以只需要计算一次。这只是一个优化，以加快事情在随后的呼吁。如果您不想这样做（例如，如果您不熟悉这些概念，或者如果第一次可能同时从多个线程调用此函数，从而导致数据竞争），只需将其替换为：

unsigned bitWidth = 0;
unsigned testVal = ~0U;
while (testVal != 0) {
    bitWidth++;
    testVal = testVal >> 1;
}

（a）这是基于经验。你可能希望他们到位，但是，在我漫长而（偶尔）辉煌的职业生涯中，我总是发现把他们安排在轮岗部门更有用。例如，如果位11-13是某种形式的整数值，则将它们移到最右边实际上会得到值bitpat_get(21, 11, 5)，而不是集合bitWidth中的值。
可能不是这样，所以我提供的代码涵盖了这两种情况，如果您只是注释掉替代情况。