Битовые поля в C#

У меня есть структура, которую мне нужно заполнить и записать на диск (на самом деле несколько).

Пример:

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

В C я могу сделать что-то вроде следующего:

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;
};

Есть ли способ сделать это в C#, который позволил бы мне получить доступ к битам с помощью оператора точки разыменования структуры?

Для пары структур я могу просто выполнять сдвиг битов, заключенный в функцию доступа.

У меня есть множество структур, которые нужно обрабатывать таким образом, поэтому я ищу что-то, что легче читать и быстрее писать.

Ответов (11)

Решение

Я бы, вероятно, сколотил что-нибудь, используя атрибуты, а затем класс преобразования, чтобы преобразовать структуры с соответствующими атрибутами в примитивы битового поля. Что-то вроде...

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;
        }
    }
}

Что дает ожидаемый ... 000101011. Конечно, для этого требуется больше проверки ошибок и немного более разумный набор текста, но концепция (я думаю) надежная, многоразовая и позволяет разбивать легко обслуживаемые структуры десятками.

Адамв

Я думаю, что перечисление флагов тоже может работать, если вы сделаете его байтовым перечислением:

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

Как предположил Кристоф Ламбрехтс, BitVector32 предлагает решение. Джиттинговое исполнение должно быть адекватным, но точно не знаю. Вот код, иллюстрирующий это решение:

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; }
    }
}

Таким образом можно многое сделать. Вы можете добиться большего без использования BitVector32, предоставив ручные аксессоры для каждого поля:

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; }
    }
}

Удивительно, но это последнее решение ручной работы кажется наиболее удобным, наименее запутанным и самым коротким. Конечно, это только мои личные предпочтения.

Хотя это класс, использование BitArray кажется способом наименее изобретать велосипед. Если вам не нужна производительность, это самый простой вариант. (На индексы можно ссылаться с помощью [] оператора.)

Написал один, поделитесь, может кому поможет:

[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 https://answacode.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;
    }
}

и использование:

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;
    }
}

Может быть, может помочь Enum с атрибутом Flags? Посмотреть здесь:

Что означает атрибут перечисления [Flags] в C#?

Эти вспомогательные функции меня вполне устраивают:

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;
}

тогда:

uint the_word;

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

Вы хотите 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; 
}

Это действительно объединение, но вы можете использовать его как битовое поле - вам просто нужно знать, где в байте должны быть биты для каждого поля. Служебные функции и / или константы для И против могут помочь.

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;
}    

Существует также LayoutKind.Sequential, который позволит вам сделать это способом C.

Вы можете сделать это с помощью перечисления, но это будет выглядеть неудобно.

[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.
}

Вы также можете использовать, BitVector32 и особенно Section struct. Пример очень хороший.

Еще один, основанный на ответе Збыла. Это немного легче изменить для меня - мне просто нужно настроить sz0, sz1 ... а также убедиться, что маска # и loc # верны в блоках Set / Get.

С точки зрения производительности он должен быть таким же, поскольку оба они разрешены до 38 операторов MSIL. (константы разрешаются во время компиляции)

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); }
    }
}