C＃のビットフィールド

80

私はディスクにデータを入力して書き込む必要がある構造を持っています（実際にはいくつか）。

例は次のとおりです。

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

CIでは、次のようなことを行う可能性があります。

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;
};

構造体の逆参照ドット演算子を使用してビットにアクセスできるようにするC＃でこれを行う方法はありますか？

いくつかの構造体では、アクセサ関数にラップされたビットシフトを実行できます。

このように処理する構造がたくさんあるので、読みやすく、書きやすいものを探しています。

c#  bit-fields 
— ロブ
ソース

回答:

56

私はおそらく、属性を使用して何かをノックし、次に変換クラスを使用して、適切に属性付けされた構造をビットフィールドプリミティブに変換します。何かのようなもの...

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;
        }
    }
}

これにより、期待される... 000101011が生成されます。もちろん、より多くのエラーチェックと少し賢明なタイピングが必要ですが、コンセプトは（私が思うに）健全で再利用可能であり、簡単にメンテナンスできる構造を数十個ノックアウトできます。

adamw

— アダムライト
ソース
9
注：MSDNによると、「GetFieldsメソッドは、アルファベット順や宣言順など、特定の順序でフィールドを返しません。コードは、フィールドが返される順序に依存してはなりません。その順序は異なるためです。」これはここで問題を引き起こしませんか？
— ケビンP.ライス
1
IBitfield'marker'インターフェイス（メンバーを持たない）を作成すると、PrimitiveConversionを実装する任意の構造体の拡張メソッドにクラスを変換できますIBitfield。例：public static long ToLong(this IBitfield obj) {}。次に、ToLong()メソッドはIBitfieldオブジェクトのIntellisenseに表示されます。
— ケビンP.ライス
'f.SetValue（t、someValue）'を使用してプロセスを逆にすることはできますか？これを使用して、パケットクラスをソケット転送用のメッセージバッファに変換しています。うまく機能しますが、何らかの理由でf.SetValue（）を使用してストリームから構造にデータを読み戻すことができません。エラーはありません。機能しません。
— buzzard51 2016年
GetFieldsリフレクションキャッシュが原因で並べ替えに問題が発生する可能性がありますが、「MetadataToken」で並べ替えると、その問題を克服できます（get single fieldとget all fieldを混合することで再現できます）。
— firda
26

列挙型を使用することでこれを行うことができますが、見苦しくなります。

[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.
}
— ラッセV.カールセン
ソース
20

StructLayoutAttributeが必要です

[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; 
}

これは実際には和集合ですが、ビットフィールドとして使用できます。各フィールドのビットがバイト内のどこにあるかを意識する必要があります。効用関数および/またはANDに対する定数が役立ちます。

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;
}

それをCの方法で行うことができるLayoutKind.Sequentialもあります。

— マークシダード
ソース
17

Christophe Lambrechtsが提案したように、BitVector32が解決策を提供します。ぎざぎざのパフォーマンスは十分なはずですが、確かなことはわかりません。このソリューションを説明するコードは次のとおりです。

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; }
    }
}

この方法で多くのことができます。すべてのフィールドに手作りのアクセサーを提供することで、BitVector32を使用せずにさらに優れた処理を行うことができます。

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; }
    }
}

驚くべきことに、この最後の手作りのソリューションは、最も便利で、複雑さが少なく、最短のソリューションのようです。もちろん、それは私の個人的な好みだけです。

— ズビル
ソース
8

もう1つはZbylの答えに基づいています。これは私にとっては少し簡単に変更できます-sz0、sz1 ...を調整する必要があります。また、Set / Getブロックでmask＃とloc＃が正しいことを確認する必要があります。

パフォーマンスに関しては、両方とも38のMSILステートメントに解決されたのと同じである必要があります。（定数はコンパイル時に解決されます）

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); }
    }
}
— サンセットクエスト
ソース
1
素晴らしいセットアップ。喜んで再利用;）。ビットフィールドが「フル」のとき（設定時などraw=uint.MaxValue）、最後の項目を少し変更する必要があることを発見しました。または、最後のプロパティのみを考慮している可能性があります。わからない。したがって、上記の例では、ItemXプロパティゲッターは次のようになりget { return (uint)((Raw & Mask3) >> Loc3); }. The setter look like this: ます。set{Raw =（uint）（Raw＆〜Mask3 |（value << Loc3）＆Mask3）; } `その変更がないと、最後のプロパティのキャストは失敗します。
— spiralis 2016
1
@Spiralis：それに気づいてくれてありがとう。あなたが言ったように私はそれを更新しました、そしてそれは今より良く働きます。
— Sunsetquest 2016年
5

それはクラスですが、使用することは、BitArray車輪の再発明を最小限に抑える方法のようです。パフォーマンスが本当に求められていない限り、これが最も簡単なオプションです。（インデックスは[]演算子で参照できます。）

— コンラッド
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3

フラグ列挙型も、バイト列挙型にすると機能すると思います。

[Flags] enum PesHeaders : byte { /* ... */ }
— マークシダード
ソース
2

私はそれを書き、それを共有し、誰かを助けるかもしれません：

[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;
    }
}

と使用法： 

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;
    }
}
— stalendp
ソース
2

私はこれらのヘルパー関数に非常に満足しています。

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;
}

その後：

uint the_word;

public uint Itemx
{
    get { return ReadBits(the_word, 5, 2); }
    set { the_word = SetBits(the_word, value, 5, 2) }
}
— ヴィートマロルダ
ソース
シンプルで便利。これが私に必要なものです。ありがとう：）
— Prihex20年
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