Битовые коллекции

Если требуется иметь дело с множеством битов, можно применить класс BitArray и структуру BitVector32. Класс BitArray расположен в пространстве имен System.Collections, a BitVector32 — в пространстве System.Collections.Specialized. Наиболее важное отличие между этими двумя типами состоит в том, что BitArray имеет изменяемый размер, а это удобно, когда необходимое количество бит известно заранее, и оно велико. Структура BitVector32 основана на стеке, и потому работает быстрее. BitVector32 содержит только 32 бита, которые хранятся в целом числе.

Класс BitArray

Класс BitArray служит для хранения отдельных битов в коллекции. А поскольку в коллекции этого класса хранятся биты, а не объекты, то своими возможностями он отличается от классов других коллекций. Тем не менее в классе BitArray реализуются интерфейсы ICollection и IEnumerable как основополагающие элементы поддержки всех типов коллекций. Кроме того, в классе BitArray реализуется интерфейс ICloneable.

В классе BitArray определено несколько конструкторов. Так, с помощью приведенного ниже конструктора можно сконструировать объект типа BitArray из массива логических значений:

public BitArray(bool[] values)

В данном случае каждый элемент массива values становится отдельным битом в коллекции. Это означает, что каждому элементу массива values соответствует отдельный бит в коллекции. Более того, порядок расположения элементов в массиве values сохраняется и в коллекции соответствующих им битов. Коллекцию типа BitArray можно также составить из массива байтов, используя следующий конструктор:

public BitArray(byte[] bytes)

Здесь битами в коллекции становится уже целый их набор из массива bytes, причем элемент bytes [0] обозначает первые 8 битов, элемент bytes [1] — вторые 8 битов и т.д.

Коллекции типа BitArray подлежат индексированию. По каждому индексу указывается отдельный бит в коллекции, причем нулевой индекс обозначает младший бит.

В классе BitArray определяется ряд собственных методов, помимо тех, что уже объявлены в интерфейсах, которые в нем реализуются. Методы этого класса приведены ниже. Обратите внимание на то, что в классе BitArray не поддерживается метод Synchronized(). Это означает, что для коллекций данного класса синхронизированная оболочка недоступна, а свойство IsSynchronized всегда имеет логическое значение false. Тем не менее для управления доступом к коллекции типа BitArray ее можно синхронизировать для объекта, предоставляемого упоминавшимся ранее свойством SyncRoot.

And()

Выполняет операцию логического умножения (И) битов вызывающего объекта и коллекции value. Возвращает коллекцию типа BitArray, содержащую результат

Get()

Возвращает значение бита, указываемого по индексу

Not()

Выполняет операцию поразрядного логического отрицания (НЕ) битов вызывающей коллекции и возвращает коллекцию типа BitArray, содержащую результат

Or()

Выполняет операцию логического сложения (ИЛИ) битов вызывающего объекта и коллекции value. Возвращает коллекцию типа BitArray, содержащую результат

Set()

Устанавливает бит, указываемый по индексу index, равным значению value

SetAll()

Устанавливает все биты равными значению value

Xor()

Выполняет логическую операцию исключающее (ИЛИ) над битами вызывающего объекта и коллекции value. Возвращает коллекцию типа BitArray, содержащую результат

В классе BitArray определяется также собственное свойство, помимо тех, что указаны в интерфейсах, которые в нем реализуются:

public int Length { get; set; }

Свойство Length позволяет установить или получить количество битов в коллекции. Следовательно, оно возвращает такое же значение, как и стандартное свойство Count, определяемое для всех коллекций. В отличие от свойства Count, свойство Length доступно не только для чтения, но и для записи, а значит, с его помощью можно изменить размер коллекции типа BitArray.

Давайте рассмотрим пример использования класса BitArray:

using System;
using System.Collections;

namespace ConsoleApplication1
{
    class Program
    {
        static void WriteBits(BitArray bits)
        {
            foreach (bool b in bits)
                Console.Write(b ? 1 : 0);
            Console.WriteLine("\n");
        }

        static void Main()
        {
            BitArray bits1 = new BitArray(10);
            BitArray bits2 = new BitArray(10);
            bits1.SetAll(false);
            bits1.Set(2, true);
            bits1[3] = true;
            bits1[8] = true;

            bits2 = bits1;
            bits1 = bits1.Not();
            Console.Write("bits1: ");
            WriteBits(bits1);
            Console.Write("bits2: ");
            WriteBits(bits2);

            Console.Write("NOT(bits1): ");
            bits1.Not();
            WriteBits(bits1);

            Console.Write("bits1 AND bits2: ");
            bits1.And(bits2);
            WriteBits(bits1);

            Console.ReadLine();
        }
    }
}

Структура BitVector32

Если необходимое количество бит известно заранее, то вместо BitArray можно использовать структуру BitVector32. Структура BitVector32 более эффективна, поскольку это тип значения, хранящий биты в стеке внутри целого числа. В единственном целом числе имеется место для 32 бит. Если нужно больше, можно применять множество значений BitVector32 или же BitArray. Класс BitArray при необходимости может расти, а структура BitVector32 лишена такой возможности.

Ниже перечислены члены структуры BitVector32, которые существенно отличаются от BitArray:

Data

Свойство Data возвращает данные BitVector32 в виде целого числа.

Item

Значение BitVector32 может быть установлено с использованием целого числа. Индексатор перегружен: получать и устанавливать значения можно с использованием маски или секции типа BitVector32.Section.

CreateMask()

Статический метод, который позволяет создавать маску для доступа к определенным битам Bitvector32.

CreateSelection()

Статический метод, который позволяет создавать несколько секций внутри 32 бит.

В приведенном ниже примере создается структура BitVector32 с помощью конструктора по умолчанию, при этом все 32 бита инициализируются false. Затем создаются маски для доступа к битам внутри битового вектора. Первый вызов CreateMask() создает маску для доступа к первому биту. После вызова CreateMask() значение bitl равно 1. Еще один вызов CreateMask() возвращает маску для доступа ко второму биту, которая равна 2. bit3 имеет значение 4 для доступа к биту номер 3. bit4 имеет значение 8 для доступа к биту номер 4.

Затем маски используются с индексатором для доступа к битам внутри вектора бит и соответствующей установки полей:

var bitsl = new BitVector32 () ;
int bitl = BitVector32.CreateMask();
int bit2 = BitVector32.CreateMask(bitl);
int bit3 = BitVector32.CreateMask(bit2);
int bit4 = BitVector32.CreateMask(bit3);
int bit5 = BitVector32.CreateMask(bit4);
bitsl[bitl] = true;
bitsl[bit2] = false;
bitsl[bit3] = true;
bitsl[bit4] = true;
bitsl[bi15] = true;
Console.WriteLine(bits1);