C# 在C语言中使用任意位位置和长度跨字节边界提取值#

我目前正在开发一个网络工具，它需要解码/编码一个特定的协议，该协议将字段打包到任意位置的密集位数组中。例如，协议的一部分使用3个字节来表示多个不同的字段：

Bit Position(s)  Length (In Bits)    Type
0                1                   bool
1-5              5                   int
6-13             8                   int
14-22            9                   uint
23               1                   bool

如您所见，几个字段跨越多个字节。许多（大多数）也比用来表示它们的内置类型短，例如第一个int字段只有5位长。在这些情况下，目标类型（如Int32或Int16）的最高有效位应填充0以弥补差异

我的问题是，我在处理此类数据时遇到了困难。具体地说，我很难弄清楚如何有效地获取任意长度的位数组，用源缓冲区中的适当位填充它们，填充它们以匹配目标类型，并将填充的位数组转换为目标类型。在理想情况下，我可以使用上面示例中的字节[3]调用类似

GetInt32（byte[]bytes，int startBit，int length）

的方法

我发现最接近实际情况的是一个类，但它似乎希望单个值排列在字节/字边界上（类的半流式/半索引访问约定使它有点混乱）

我自己的第一次尝试是使用这个类，但结果证明有点笨拙。将缓冲区中的所有位填充到一个大的

位数组

，只将您想要的位从源

位数组

传输到一个新的临时

位数组

，然后将其转换为目标值非常简单……但这似乎是错误的，而且非常耗时

我现在考虑一个类，它引用（或创建）源/目标字节[]缓冲区以及偏移量，并为某些目标类型提供get和set方法。棘手的部分是获取/设置值可能跨越多个字节

class BitField
{
    private readonly byte[] _bytes;
    private readonly int _offset;

    public BitField(byte[] bytes)
        : this(bytes, 0)
    {
    }

    public BitField(byte[] bytes, int offset)
    {
        _bytes = bytes;
        _offset = offset;
    }

    public BitField(int size)
        : this(new byte[size], 0)
    {
    }

    public bool this[int bit]
    {
        get { return IsSet(bit); }
        set { if (value) Set(bit); else Clear(bit); }
    }

    public bool IsSet(int bit)
    {
        return (_bytes[_offset + (bit / 8)] & (1 << (bit % 8))) != 0;
    }

    public void Set(int bit)
    {
        _bytes[_offset + (bit / 8)] |= unchecked((byte)(1 << (bit % 8)));
    }

    public void Clear(int bit)
    {
        _bytes[_offset + (bit / 8)] &= unchecked((byte)~(1 << (bit % 8)));
    }

    //startIndex = the index of the bit at which to start fetching the value
    //length = the number of bits to include - may be less than 32 in which case
    //the most significant bits of the target type should be padded with 0
    public int GetInt32(int startIndex, int length)
    {
        //NEED CODE HERE
    }

    //startIndex = the index of the bit at which to start storing the value
    //length = the number of bits to use, if less than the number of bits required
    //for the source type, precision may be lost
    //value = the value to store
    public void SetValue(int startIndex, int length, int value)
    {
        //NEED CODE HERE
    }

    //Other Get.../Set... methods go here
}

类位字段
{
专用只读字节[]_字节；
专用只读整数偏移量；
公共位字段（字节[]字节）
：此（字节，0）
{
}
公共位字段（字节[]字节，整数偏移量）
{
_字节=字节；
_偏移量=偏移量；
}
公共位字段（整数大小）
：此（新字节[大小]，0）
{
}
公共bool此[int位]
{
获取{返回IsSet（位）；}
set{if（值）set（位）；else Clear（位）；}
}
公共布尔IsSet（整数位）
{
return（_bytes[_offset+（bit/8）]&（1首先，您似乎已经在类中重新发明了轮子。至于实际查找特定位字段的值，我认为这可以通过以下伪代码的一点数学魔法轻松实现：

从所选内容中最远的数字开始（startIndex+长度）
如果设置了，则添加2^（与数字的距离）。在这种情况下，它将是0（mostDistance-self=0）。因此添加2^（1）
向左移动一位
对所需长度的每个数字重复此操作
在这种情况下，如果您有这样一个位数组：

10001010

如果你想要数字0-3的值，你会得到如下结果：

[Index 3]   [Index 2]   [Index 1]   [Index 0]
(3 - 3)     (3 - 2)     (3 - 1)     (3 - 0)
=============================================
(0 * 2^0) + (0 * 2^1) + (0 * 2^2) + (1 * 2^3) = 8

因为1000（二进制）==8，所以数学是正确的。
仅使用简单的位移位来计算值有什么问题

int data = Convert.ToInt32( "110000000010000000100001", 2 );

bool v1 = ( data & 1 ) == 1; // True
int v2 = ( data >> 1 ) & 0x1F; // 16
int v3 = ( data >> 6 ) & 0xFF; // 128
uint v4 = (uint )( data >> 14 ) & 0x1FF; // 256
bool v5 = ( data >> 23 ) == 1; // True

是一篇很好的文章，涵盖了这一主题。它是用C编写的，但同样的概念仍然适用。
如果您的数据包总是小于8或4字节，那么将每个数据包存储在
Int32
或
Int64
中会更容易。字节数组只会使事情复杂化。您必须注意高端存储与低端存储

然后，对于一个3字节的包：

public static void SetValue(Int32 message, int startIndex, int length, int value)
{
   // we want lengthx1
   int mask = (1 << length) - 1;     
   value = value & mask;  // or check and throw

   int offset = 24 - startIndex - length;   // 24 = 3 * 8
   message = message | (value << offset);
}

publicstaticvoidsetvalue（Int32消息，intstartindex，intlength，intvalue）
{
//我们想要长度1
整数掩码=（1正如所承诺的，这里是我为此目的创建的类。它将在可选指定的索引处包装一个任意字节数组，并允许在位级别进行读取/写入。它提供了从其他字节数组读取/写入任意位块的方法，或使用用户定义的偏移量和长度。它非常适合我的情况，解决了我上面提出的确切问题。但是，它确实有两个缺点。第一，它显然没有大量的文档记录-我只是没有时间。第二，它没有边界或其他检查。它目前还要求库提供endian转换。综上所述，希望这可以帮助解决或作为其他具有类似用例的人的起点

internal class BitField
{
    private readonly byte[] _bytes;
    private readonly int _offset;
    private EndianBitConverter _bitConverter = EndianBitConverter.Big;

    public BitField(byte[] bytes)
        : this(bytes, 0)
    {
    }

    //offset = the offset (in bytes) into the wrapped byte array
    public BitField(byte[] bytes, int offset)
    {
        _bytes = bytes;
        _offset = offset;
    }

    public BitField(int size)
        : this(new byte[size], 0)
    {
    }

    //fill == true = initially set all bits to 1
    public BitField(int size, bool fill)
        : this(new byte[size], 0)
    {
        if (!fill) return;
        for(int i = 0 ; i < size ; i++)
        {
            _bytes[i] = 0xff;
        }
    }

    public byte[] Bytes
    {
        get { return _bytes; }
    }

    public int Offset
    {
        get { return _offset; }
    }

    public EndianBitConverter BitConverter
    {
        get { return _bitConverter; }
        set { _bitConverter = value; }
    }

    public bool this[int bit]
    {
        get { return IsBitSet(bit); }
        set { if (value) SetBit(bit); else ClearBit(bit); }
    }

    public bool IsBitSet(int bit)
    {
        return (_bytes[_offset + (bit / 8)] & (1 << (7 - (bit % 8)))) != 0;
    }

    public void SetBit(int bit)
    {
        _bytes[_offset + (bit / 8)] |= unchecked((byte)(1 << (7 - (bit % 8))));
    }

    public void ClearBit(int bit)
    {
        _bytes[_offset + (bit / 8)] &= unchecked((byte)~(1 << (7 - (bit % 8))));
    }

    //index = the index of the source BitField at which to start getting bits
    //length = the number of bits to get
    //size = the total number of bytes required (0 for arbitrary length return array)
    //fill == true = set all padding bits to 1
    public byte[] GetBytes(int index, int length, int size, bool fill)
    {
        if(size == 0) size = (length + 7) / 8;
        BitField bitField = new BitField(size, fill);
        for(int s = index, d = (size * 8) - length ; s < index + length && d < (size * 8) ; s++, d++)
        {
            bitField[d] = IsBitSet(s);
        }
        return bitField._bytes;
    }

    public byte[] GetBytes(int index, int length, int size)
    {
        return GetBytes(index, length, size, false);
    }

    public byte[] GetBytes(int index, int length)
    {
        return GetBytes(index, length, 0, false);
    }

    //bytesIndex = the index (in bits) into the bytes array at which to start copying
    //index = the index (in bits) in this BitField at which to put the value
    //length = the number of bits to copy from the bytes array
    public void SetBytes(byte[] bytes, int bytesIndex, int index, int length)
    {
        BitField bitField = new BitField(bytes);
        for (int i = 0; i < length; i++)
        {
            this[index + i] = bitField[bytesIndex + i];
        }
    }

    public void SetBytes(byte[] bytes, int index, int length)
    {
        SetBytes(bytes, 0, index, length);
    }

    public void SetBytes(byte[] bytes, int index)
    {
        SetBytes(bytes, 0, index, bytes.Length * 8);
    }

    //UInt16

    //index = the index (in bits) at which to start getting the value
    //length = the number of bits to use for the value, if less than required the value is padded with 0
    public ushort GetUInt16(int index, int length)
    {
        return _bitConverter.ToUInt16(GetBytes(index, length, 2), 0);
    }

    public ushort GetUInt16(int index)
    {
        return GetUInt16(index, 16);
    }

    //valueIndex = the index (in bits) of the value at which to start copying
    //index = the index (in bits) in this BitField at which to put the value
    //length = the number of bits to copy from the value
    public void Set(ushort value, int valueIndex, int index, int length)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), valueIndex, index, length);
    }

    public void Set(ushort value, int index)
    {
        Set(value, 0, index, 16);
    }

    //UInt32

    public uint GetUInt32(int index, int length)
    {
        return _bitConverter.ToUInt32(GetBytes(index, length, 4), 0);
    }

    public uint GetUInt32(int index)
    {
        return GetUInt32(index, 32);
    }

    public void Set(uint value, int valueIndex, int index, int length)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), valueIndex, index, length);
    }

    public void Set(uint value, int index)
    {
        Set(value, 0, index, 32);
    }

    //UInt64

    public ulong GetUInt64(int index, int length)
    {
        return _bitConverter.ToUInt64(GetBytes(index, length, 8), 0);
    }

    public ulong GetUInt64(int index)
    {
        return GetUInt64(index, 64);
    }

    public void Set(ulong value, int valueIndex, int index, int length)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), valueIndex, index, length);
    }

    public void Set(ulong value, int index)
    {
        Set(value, 0, index, 64);
    }

    //Int16

    public short GetInt16(int index, int length)
    {
        return _bitConverter.ToInt16(GetBytes(index, length, 2, IsBitSet(index)), 0);
    }

    public short GetInt16(int index)
    {
        return GetInt16(index, 16);
    }

    public void Set(short value, int valueIndex, int index, int length)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), valueIndex, index, length);
    }

    public void Set(short value, int index)
    {
        Set(value, 0, index, 16);
    }

    //Int32

    public int GetInt32(int index, int length)
    {
        return _bitConverter.ToInt32(GetBytes(index, length, 4, IsBitSet(index)), 0);
    }

    public int GetInt32(int index)
    {
        return GetInt32(index, 32);
    }

    public void Set(int value, int valueIndex, int index, int length)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), valueIndex, index, length);
    }

    public void Set(int value, int index)
    {
        Set(value, 0, index, 32);
    }

    //Int64

    public long GetInt64(int index, int length)
    {
        return _bitConverter.ToInt64(GetBytes(index, length, 8, IsBitSet(index)), 0);
    }

    public long GetInt64(int index)
    {
        return GetInt64(index, 64);
    }

    public void Set(long value, int valueIndex, int index, int length)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), valueIndex, index, length);
    }

    public void Set(long value, int index)
    {
        Set(value, 0, index, 64);
    }

    //Char

    public char GetChar(int index, int length)
    {
        return _bitConverter.ToChar(GetBytes(index, length, 2), 0);
    }

    public char GetChar(int index)
    {
        return GetChar(index, 16);
    }

    public void Set(char value, int valueIndex, int index, int length)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), valueIndex, index, length);
    }

    public void Set(char value, int index)
    {
        Set(value, 0, index, 16);
    }

    //Bool

    public bool GetBool(int index, int length)
    {
        return _bitConverter.ToBoolean(GetBytes(index, length, 1), 0);
    }

    public bool GetBool(int index)
    {
        return GetBool(index, 8);
    }

    public void Set(bool value, int valueIndex, int index, int length)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), valueIndex, index, length);
    }

    public void Set(bool value, int index)
    {
        Set(value, 0, index, 8);
    }

    //Single and double precision floating point values must always use the correct number of bits
    public float GetSingle(int index)
    {
        return _bitConverter.ToSingle(GetBytes(index, 32, 4), 0);
    }

    public void SetSingle(float value, int index)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), 0, index, 32);
    }

    public double GetDouble(int index)
    {
        return _bitConverter.ToDouble(GetBytes(index, 64, 8), 0);
    }

    public void SetDouble(double value, int index)
    {
        SetBytes(_bitConverter.GetBytes(value), 0, index, 64);
    }
}

内部类位字段
{
专用只读字节[]_字节；
专用只读整数偏移量；
私有EndianBitConverter _bitConverter=EndianBitConverter.Big；
公共位字段（字节[]字节）
：此（字节，0）
{
}
//偏移量=包装字节数组中的偏移量（以字节为单位）
公共位字段（字节[]字节，整数偏移量）
{
_字节=字节；
_偏移量=偏移量；
}
公共位字段（整数大小）
：此（新字节[大小]，0）
{
}
//fill==true=最初将所有位设置为1
公共位字段（整数大小，布尔填充）
：此（新字节[大小]，0）
{
如果（！填写）返回；
对于（int i=0；i