Campos de bits em C#

Question

Eu tenho uma estrutura que preciso preencher e gravar em disco (várias na verdade).

Um exemplo é:

byte-6    
bit0 - original_or_copy  
bit1 - copyright  
bit2 - data_alignment_indicator  
bit3 - PES_priority  
bit4-bit5 - PES_scrambling control.  
bit6-bit7 - reserved  

Em C eu poderia fazer algo como o seguinte:

struct PESHeader  {
    unsigned reserved:2;
    unsigned scrambling_control:2;
    unsigned priority:1;
    unsigned data_alignment_indicator:1;
    unsigned copyright:1;
    unsigned original_or_copy:1;
};

Existe alguma maneira de fazer isso em C# que me permita acessar os bits usando o operador ponto de desreferenciação de estrutura?

Para algumas estruturas, posso apenas fazer pequenas mudanças envolvidas em uma função de acesso.

Tenho muitas estruturas para lidar dessa forma, então estou procurando algo que seja mais fácil de ler e mais rápido de escrever.

Answer 1

Eu provavelmente reuniria algo usando atributos e, em seguida, uma classe de conversão para converter estruturas atribuídas adequadamente em primitivos de campo de bits.Algo como...

using System;

namespace BitfieldTest
{
    [global::System.AttributeUsage(AttributeTargets.Field, AllowMultiple = false)]
    sealed class BitfieldLengthAttribute : Attribute
    {
        uint length;

        public BitfieldLengthAttribute(uint length)
        {
            this.length = length;
        }

        public uint Length { get { return length; } }
    }

    static class PrimitiveConversion
    {
        public static long ToLong<T>(T t) where T : struct
        {
            long r = 0;
            int offset = 0;

            // For every field suitably attributed with a BitfieldLength
            foreach (System.Reflection.FieldInfo f in t.GetType().GetFields())
            {
                object[] attrs = f.GetCustomAttributes(typeof(BitfieldLengthAttribute), false);
                if (attrs.Length == 1)
                {
                    uint fieldLength  = ((BitfieldLengthAttribute)attrs[0]).Length;

                    // Calculate a bitmask of the desired length
                    long mask = 0;
                    for (int i = 0; i < fieldLength; i++)
                        mask |= 1 << i;

                    r |= ((UInt32)f.GetValue(t) & mask) << offset;

                    offset += (int)fieldLength;
                }
            }

            return r;
        }
    }

    struct PESHeader
    {
        [BitfieldLength(2)]
        public uint reserved;
        [BitfieldLength(2)]
        public uint scrambling_control;
        [BitfieldLength(1)]
        public uint priority;
        [BitfieldLength(1)]
        public uint data_alignment_indicator;
        [BitfieldLength(1)]
        public uint copyright;
        [BitfieldLength(1)]
        public uint original_or_copy;
    };

    public class MainClass
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            PESHeader p = new PESHeader();

            p.reserved = 3;
            p.scrambling_control = 2;
            p.data_alignment_indicator = 1;

            long l = PrimitiveConversion.ToLong(p);


            for (int i = 63; i >= 0; i--)
            {
                Console.Write( ((l & (1l << i)) > 0) ? "1" : "0");
            }

            Console.WriteLine();

            return;
        }
    }
}

O que produz o esperado ...000101011.É claro que ele precisa de mais verificação de erros e uma digitação um pouco mais sã, mas o conceito é (eu acho) sólido, reutilizável e permite eliminar dezenas de estruturas de fácil manutenção.

Adam

Answer 2

Usando um enum você pode fazer isso, mas parecerá estranho.

[Flags]
public enum PESHeaderFlags
{
    IsCopy = 1, // implied that if not present, then it is an original
    IsCopyrighted = 2,
    IsDataAligned = 4,
    Priority = 8,
    ScramblingControlType1 = 0,
    ScramblingControlType2 = 16,
    ScramblingControlType3 = 32,
    ScramblingControlType4 = 16+32,
    ScramblingControlFlags = ScramblingControlType1 | ScramblingControlType2 | ... ype4
    etc.
}

Answer 3

Você quer StructLayoutAttribute

[StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size=1, CharSet=CharSet.Ansi)]
public struct Foo 
{ [FieldOffset(0)]public byte original_or_copy; 
  [FieldOffset(0)]public byte copyright;
  [FieldOffset(0)]public byte data_alignment_indicator; 
  [FieldOffset(0)]public byte PES_priority; 
  [FieldOffset(0)]public byte PES_scrambling_control; 
  [FieldOffset(0)]public byte reserved; 
}

Esta é realmente uma união, mas você pode usá-la como um campo de bits - você apenas precisa estar ciente de onde os bits de cada campo devem estar no byte.Funções utilitárias e/ou constantes para AND contra podem ajudar.

const byte _original_or_copy = 1;
const byte _copyright        = 2;

//bool ooo = foo.original_or_copy();
static bool original_or_copy(this Foo foo) 
{ return  (foo.original_or_copy & _original_or_copy)  == original_or_copy;
}    

Há também LayoutKind.Sequential que permitirá que você faça isso da maneira C.

Answer 4

Como sugeriu Christophe Lambrechts, o BitVector32 fornece uma solução.O desempenho do Jitted deve ser adequado, mas não tenho certeza.Aqui está o código que ilustra esta solução:

public struct rcSpan
{
    //C# Spec 10.4.5.1: The static field variable initializers of a class correspond to a sequence of assignments that are executed in the textual order in which they appear in the class declaration.
    internal static readonly BitVector32.Section sminSection = BitVector32.CreateSection(0x1FFF);
    internal static readonly BitVector32.Section smaxSection = BitVector32.CreateSection(0x1FFF, sminSection);
    internal static readonly BitVector32.Section areaSection = BitVector32.CreateSection(0x3F, smaxSection);

    internal BitVector32 data;

    //public uint smin : 13; 
    public uint smin
    {
        get { return (uint)data[sminSection]; }
        set { data[sminSection] = (int)value; }
    }

    //public uint smax : 13; 
    public uint smax
    {
        get { return (uint)data[smaxSection]; }
        set { data[smaxSection] = (int)value; }
    }

    //public uint area : 6; 
    public uint area
    {
        get { return (uint)data[areaSection]; }
        set { data[areaSection] = (int)value; }
    }
}

Você pode fazer muito dessa maneira.Você pode fazer ainda melhor sem usar o BitVector32, fornecendo acessadores artesanais para todos os campos:

public struct rcSpan2
{
    internal uint data;

    //public uint smin : 13; 
    public uint smin
    {
        get { return data & 0x1FFF; }
        set { data = (data & ~0x1FFFu ) | (value & 0x1FFF); }
    }

    //public uint smax : 13; 
    public uint smax
    {
        get { return (data >> 13) & 0x1FFF; }
        set { data = (data & ~(0x1FFFu << 13)) | (value & 0x1FFF) << 13; }
    }

    //public uint area : 6; 
    public uint area
    {
        get { return (data >> 26) & 0x3F; }
        set { data = (data & ~(0x3F << 26)) | (value & 0x3F) << 26; }
    }
}

Surpreendentemente, esta última solução artesanal parece ser a mais conveniente, menos complicada e mais curta.É claro que essa é apenas minha preferência pessoal.

Answer 5

Mais um baseado na resposta de Zbyl.Este é um pouco mais fácil de mudar para mim - só preciso ajustar o sz0, sz1...e também certifique-se de que mask# e loc# estejam corretos nos blocos Set/Get.

Em termos de desempenho, deve ser o mesmo, pois ambos resolveram 38 instruções MSIL.(constantes são resolvidas em tempo de compilação)

public struct MyStruct
{
    internal uint raw;

    const int sz0 = 4, loc0 = 0,          mask0 = ((1 << sz0) - 1) << loc0;
    const int sz1 = 4, loc1 = loc0 + sz0, mask1 = ((1 << sz1) - 1) << loc1;
    const int sz2 = 4, loc2 = loc1 + sz1, mask2 = ((1 << sz2) - 1) << loc2;
    const int sz3 = 4, loc3 = loc2 + sz2, mask3 = ((1 << sz3) - 1) << loc3;

    public uint Item0
    {
        get { return (uint)(raw & mask0) >> loc0; }
        set { raw = (uint)(raw & ~mask0 | (value << loc0) & mask0); }
    }

    public uint Item1
    {
        get { return (uint)(raw & mask1) >> loc1; }
        set { raw = (uint)(raw & ~mask1 | (value << loc1) & mask1); }
    }

    public uint Item2
    {
        get { return (uint)(raw & mask2) >> loc2; }
        set { raw = (uint)(raw & ~mask2 | (value << loc2) & mask2); }
    }

    public uint Item3
    {
        get { return (uint)((raw & mask3) >> loc3); }
        set { raw = (uint)(raw & ~mask3 | (value << loc3) & mask3); }
    }
}

Answer 6

Você também pode usar o BitVector32 e especialmente o Section struct.O exemplo é muito bom.

Answer 7

Embora seja uma classe, usando BitArray parece ser a maneira de menos reinventar a roda.A menos que você esteja realmente pressionado por desempenho, esta é a opção mais simples.(Os índices podem ser referenciados com o [] operador.)

Answer 8

Um Enum com o atributo Flags poderia ajudar, talvez?Veja aqui:

O que significa o atributo Enum [Flags] em C#?

Answer 9

Uma enumeração de flags também pode funcionar, eu acho, se você fizer dela uma enumeração de bytes:

[Flags] enum PesHeaders : byte { /* ... */ }

Answer 10

Eu escrevi um, compartilhe, pode ajudar alguém:

[global::System.AttributeUsage(AttributeTargets.Field, AllowMultiple = false)]
public sealed class BitInfoAttribute : Attribute {
    byte length;
    public BitInfoAttribute(byte length) {
        this.length = length;
    }
    public byte Length { get { return length; } }
}

public abstract class BitField {

    public void parse<T>(T[] vals) {
        analysis().parse(this, ArrayConverter.convert<T, uint>(vals));
    }

    public byte[] toArray() {
        return ArrayConverter.convert<uint, byte>(analysis().toArray(this));
    }

    public T[] toArray<T>() {
        return ArrayConverter.convert<uint, T>(analysis().toArray(this));
    }

    static Dictionary<Type, BitTypeInfo> bitInfoMap = new Dictionary<Type, BitTypeInfo>();
    private BitTypeInfo analysis() {
        Type type = this.GetType();
        if (!bitInfoMap.ContainsKey(type)) {
            List<BitInfo> infos = new List<BitInfo>();

            byte dataIdx = 0, offset = 0;
            foreach (System.Reflection.FieldInfo f in type.GetFields()) {
                object[] attrs = f.GetCustomAttributes(typeof(BitInfoAttribute), false);
                if (attrs.Length == 1) {
                    byte bitLen = ((BitInfoAttribute)attrs[0]).Length;
                    if (offset + bitLen > 32) {
                        dataIdx++;
                        offset = 0;
                    }
                    infos.Add(new BitInfo(f, bitLen, dataIdx, offset));
                    offset += bitLen;
                }
            }
            bitInfoMap.Add(type, new BitTypeInfo(dataIdx + 1, infos.ToArray()));
        }
        return bitInfoMap[type];
    }
}

class BitTypeInfo {
    public int dataLen { get; private set; }
    public BitInfo[] bitInfos { get; private set; }

    public BitTypeInfo(int _dataLen, BitInfo[] _bitInfos) {
        dataLen = _dataLen;
        bitInfos = _bitInfos;
    }

    public uint[] toArray<T>(T obj) {
        uint[] datas = new uint[dataLen];
        foreach (BitInfo bif in bitInfos) {
            bif.encode(obj, datas);
        }
        return datas;
    }

    public void parse<T>(T obj, uint[] vals) {
        foreach (BitInfo bif in bitInfos) {
            bif.decode(obj, vals);
        }
    }
}

class BitInfo {

    private System.Reflection.FieldInfo field;
    private uint mask;
    private byte idx, offset, shiftA, shiftB;
    private bool isUnsigned = false;

    public BitInfo(System.Reflection.FieldInfo _field, byte _bitLen, byte _idx, byte _offset) {
        field = _field;
        mask = (uint)(((1 << _bitLen) - 1) << _offset);
        idx = _idx;
        offset = _offset;
        shiftA = (byte)(32 - _offset - _bitLen);
        shiftB = (byte)(32 - _bitLen);

        if (_field.FieldType == typeof(bool)
            || _field.FieldType == typeof(byte)
            || _field.FieldType == typeof(char)
            || _field.FieldType == typeof(uint)
            || _field.FieldType == typeof(ulong)
            || _field.FieldType == typeof(ushort)) {
            isUnsigned = true;
        }
    }

    public void encode(Object obj, uint[] datas) {
        if (isUnsigned) {
            uint val = (uint)Convert.ChangeType(field.GetValue(obj), typeof(uint));
            datas[idx] |= ((uint)(val << offset) & mask);
        } else {
            int val = (int)Convert.ChangeType(field.GetValue(obj), typeof(int));
            datas[idx] |= ((uint)(val << offset) & mask);
        }
    }

    public void decode(Object obj, uint[] datas) {
        if (isUnsigned) {
            field.SetValue(obj, Convert.ChangeType((((uint)(datas[idx] & mask)) << shiftA) >> shiftB, field.FieldType));
        } else {
            field.SetValue(obj, Convert.ChangeType((((int)(datas[idx] & mask)) << shiftA) >> shiftB, field.FieldType));
        }
    }
}

public class ArrayConverter {
    public static T[] convert<T>(uint[] val) {
        return convert<uint, T>(val);
    }

    public static T1[] convert<T0, T1>(T0[] val) {
        T1[] rt = null;
        // type is same or length is same
        // refer to http://stackoverflow.com/questions/25759878/convert-byte-to-sbyte
        if (typeof(T0) == typeof(T1)) { 
            rt = (T1[])(Array)val;
        } else {
            int len = Buffer.ByteLength(val);
            int w = typeWidth<T1>();
            if (w == 1) { // bool
                rt = new T1[len * 8];
            } else if (w == 8) {
                rt = new T1[len];
            } else { // w > 8
                int nn = w / 8;
                int len2 = (len / nn) + ((len % nn) > 0 ? 1 : 0);
                rt = new T1[len2];
            }

            Buffer.BlockCopy(val, 0, rt, 0, len);
        }
        return rt;
    }

    public static string toBinary<T>(T[] vals) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        int width = typeWidth<T>();
        int len = Buffer.ByteLength(vals);
        for (int i = len-1; i >=0; i--) {
            sb.Append(Convert.ToString(Buffer.GetByte(vals, i), 2).PadLeft(8, '0')).Append(" ");
        }
        return sb.ToString();
    }

    private static int typeWidth<T>() {
        int rt = 0;
        if (typeof(T) == typeof(bool)) { // x
            rt = 1;
        } else if (typeof(T) == typeof(byte)) { // x
            rt = 8;
        } else if (typeof(T) == typeof(sbyte)) {
            rt = 8;
        } else if (typeof(T) == typeof(ushort)) { // x
            rt = 16;
        } else if (typeof(T) == typeof(short)) {
            rt = 16;
        } else if (typeof(T) == typeof(char)) {
            rt = 16;
        } else if (typeof(T) == typeof(uint)) { // x
            rt = 32;
        } else if (typeof(T) == typeof(int)) {
            rt = 32;
        } else if (typeof(T) == typeof(float)) {
            rt = 32;
        } else if (typeof(T) == typeof(ulong)) { // x
            rt = 64;
        } else if (typeof(T) == typeof(long)) {
            rt = 64;
        } else if (typeof(T) == typeof(double)) {
            rt = 64;
        } else {
            throw new Exception("Unsupport type : " + typeof(T).Name);
        }
        return rt;
    }
}

e o uso:

class MyTest01 : BitField {
    [BitInfo(3)]
    public bool d0;
    [BitInfo(3)]
    public short d1;
    [BitInfo(3)]
    public int d2;
    [BitInfo(3)]
    public int d3;
    [BitInfo(3)]
    public int d4;
    [BitInfo(3)]
    public int d5;

    public MyTest01(bool _d0, short _d1, int _d2, int _d3, int _d4, int _d5) {
        d0 = _d0;
        d1 = _d1;
        d2 = _d2;
        d3 = _d3;
        d4 = _d4;
        d5 = _d5;
    }

    public MyTest01(byte[] datas) {
        parse(datas);
    }

    public new string ToString() {
        return string.Format("d0: {0}, d1: {1}, d2: {2}, d3: {3}, d4: {4}, d5: {5} \r\nbinary => {6}",
            d0, d1, d2, d3, d4, d5, ArrayConverter.toBinary(toArray()));
    }
};

class MyTest02 : BitField {
    [BitInfo(5)]
    public bool val0;
    [BitInfo(5)]
    public byte val1;
    [BitInfo(15)]
    public uint val2;
    [BitInfo(15)]
    public float val3;
    [BitInfo(15)]
    public int val4;
    [BitInfo(15)]
    public int val5;
    [BitInfo(15)]
    public int val6;

    public MyTest02(bool v0, byte v1, uint v2, float v3, int v4, int v5, int v6) {
        val0 = v0;
        val1 = v1;
        val2 = v2;
        val3 = v3;
        val4 = v4;
        val5 = v5;
        val6 = v6;
    }

    public MyTest02(byte[] datas) {
        parse(datas);
    }

    public new string ToString() {
        return string.Format("val0: {0}, val1: {1}, val2: {2}, val3: {3}, val4: {4}, val5: {5}, val6: {6}\r\nbinary => {7}",
            val0, val1, val2, val3, val4, val5, val6, ArrayConverter.toBinary(toArray()));
    }
}

public class MainClass {

    public static void Main(string[] args) {
        MyTest01 p = new MyTest01(false, 1, 2, 3, -1, -2);
        Debug.Log("P:: " + p.ToString());
        MyTest01 p2 = new MyTest01(p.toArray());
        Debug.Log("P2:: " + p2.ToString());

        MyTest02 t = new MyTest02(true, 1, 12, -1.3f, 4, -5, 100);
        Debug.Log("t:: " + t.ToString());
        MyTest02 t2 = new MyTest02(t.toArray());
        Debug.Log("t:: " + t.ToString());

        Console.Read();
        return;
    }
}

Answer 11

Sinto-me bastante confortável com estas funções auxiliares:

uint SetBits(uint word, uint value, int pos, int size)
{
    uint mask = ((((uint)1) << size) - 1) << pos;
    word &= ~mask; //resettiamo le posizioni
    word |= (value << pos) & mask;
    return word;
}

uint ReadBits(uint word, int pos, int size)
{
    uint mask = ((((uint)1) << size) - 1) << pos;
    return (word & mask) >> pos;
}

então:

uint the_word;

public uint Itemx
{
    get { return ReadBits(the_word, 5, 2); }
    set { the_word = SetBits(the_word, value, 5, 2) }
}