0x00 起因
最近需要处理一些基于比特流的数据，计算机处理数据一般都是以byte（8bit）为单位的，使用BinaryReader读取的数据也是如此，即使读取bool型也是一个byte。不过借助于C#基础类库中提供的一些方法，也实现了对基于比特的数据的读取。任务完成后觉得基于比特的数据挺有意思，自己试了下用7比特和6比特编码常用ASCII字符。最后把一点新的写成博客，一方面做个记录，另一方面希望对有类似需求的园友有所帮助。
0x01 比特流数据的读取
假设我们有一个byte b = 35，而我们需要把其中的前4bit和后4bit分别读取为两个数字，那么应该怎么做呢。虽然没有在基础类库中找到现成的方法，但用二进制字符串中转一下，分两步也可以做到。
1、先把b表示为二进制字符串00100011
2、分别取其前后4bit转为数字，核心方法就是：
Convert.ToInt32("0010");
这样就实现了基于比特的数据读取了。
关于第一步中把byte转化为二进制字符串有很多种方法，
1、最简单的Convert.ToString(b,2)。不够8位就在高位用0补足。
2、也可以把byte分别与1,2,4,8 … 128做与运算，由低到高取出各位。
3、也可以把byte和32做与运算，然后把byte左移再次与128做与运算。
其中第一种方法会产生大量的字符串对象，在第2、3种方法没有找到太大区别，我选择的3，纯靠感觉。代码如下：
public static char[] ByteToBinString(byte b)
{
var result = new char[8];
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
var temp = b & 128;
result[i] = temp == 0 ? '0' : '1';
b = (byte)(b << 1);
}
return result;
}
为了能将byte[]转化为二进制字符串，可以
Public string BitReader(byte[] data)
{
BinString = new StringBuilder(data.Length * 8);
for (int i = 0; i < data.Length;
{
BinString.Append(ByteToBinString(data[i]));
}
return BinString.ToString();
}
这样一来当拿到byte[]数据时,可以转换为二进制字符串保存起来，根据偏移的bit位置和bit长度从中读取二进制字符串，并保转换为bool，Int16，Int32等。基于这个思路，可以写一个BitReader类，其中用StringBuilder存储二进制字符串，并提供Read方法从二进制字符串中读取数据。为了能够更好的处理数据流，在此基础上添加一个Position记录当前偏移，当使用某些Read方法读取数据时，Position也会相应移动。例如使用ReadInt16读取数据，BitReader会从Position当前位置，读取16bit并转换为Int16返回，同时Position向后移动16bit。区分方式就是当读取数据时需要指定起始的偏移位置时，Position不移动，直接从当前Position读取时Position移动，BitReader类部分代码如下：
1 public class BitReader 2 { 3 public readonly StringBuilder BinString; 4 public int Position { get; set; } 5 6 public BitReader(byte[] data) 7 { 8 BinString = new StringBuilder(data.Length * 8); 9 for (int i = 0; i < data.Length; i++) 10 { 11 BinString.Append(ByteToBinString(data[i])); 12 } 13 Position = 0; 14 } 15 16 public byte ReadByte(int offset) 17 { 18 var bin = BinString.ToString(offset, 8); 19 return Convert.ToByte(bin, 2); 20 } 21 22 public byte ReadByte() 23 { 24 var result = ReadByte(Position); 25 Position += 8; 26 return result; 27 } 28 29 public int ReadInt(int offset, int bitLength) 30 { 31 var bin = BinString.ToString(offset, bitLength); 32 return Convert.ToInt32(bin, 2); 33 } 34 35 public int ReadInt(int bitLength) 36 { 37 var result = ReadInt(Position, bitLength); 38 Position += bitLength; 39 return result; 40 } 41 42 public static char[] ByteToBinString(byte b) 43 { 44 var result = new char[8]; 45 for (int i = 0; i < 8; i++) 46 { 47 var temp = b & 128; 48 result[i] = temp == 0 ? '0' : '1'; 49 b = (byte)(b << 1); 50 } 51 return result; 52 } 53 } |
使用BitReader按照4bit从byte[] buff= {35,12};中读取数据可以这样：
var reader = new BitReader(buff); //二进制字符串为0010001100001100
var num1 = reader.ReadInt(4); //从当前Position读取4bit为int，Position移动4bit，结果为2，当前Position=4
var num2 = reader.ReadInt(5,6); //从偏移为5bit的位置读取6bit为int，Position不移动，结果为48，当前Position=4
var b = reader.ReadBool(); //从当前Position读取1bit为bool，Position移动1bit，结果为False，当前Position=5
0x02 比特流数据的写入
把数据写入比特流就是一个相反的过程，我们用BitWriter类实现，在其中存储StringBuilder保存二进制字符串，当写入数据时，需要传入数据并指定保存这个数据所需要的bit数。当写入完毕后可以将StringBuilder中保存的二进制字符串按照8bit转换为byte[]并返回。BitWriter的核心部分如下：
1 public class BitWriter 2 { 3 public readonly StringBuilder BinString; 4 5 public BitWriter() 6 { 7 BinString = new StringBuilder(); 8 } 9 10 public BitWriter(int bitLength) 11 { 12 var add = 8 - bitLength % 8; 13 BinString = new StringBuilder(bitLength + add); 14 } 15 16 public void WriteByte(byte b, int bitLength=8) 17 { 18 var bin = Convert.ToString(b, 2); 19 AppendBinString(bin, bitLength); 20 } 21 22 public void WriteInt(int i, int bitLength) 23 { 24 var bin = Convert.ToString(i, 2); 25 AppendBinString(bin, bitLength); 26 } 27 28 public void WriteChar7(char c) 29 { 30 var b = Convert.ToByte(c); 31 var bin = Convert.ToString(b, 2); 32 AppendBinString(bin, 7); 33 } 34 35 public byte[] GetBytes() 36 { 37 Check8(); 38 var len = BinString.Length / 8; 39 var result = new byte[len]; 40 41 for (int i = 0; i < len; i++) 42 { 43 var bits = BinString.ToString(i * 8, 8); 44 result[i] = Convert.ToByte(bits, 2); 45 } 46 47 return result; 48 } 49 50 public string GetBinString() 51 { 52 Check8(); 53 return BinString.ToString(); 54 } 55 56 57 private void AppendBinString(string bin, int bitLength) 58 { 59 if (bin.Length > bitLength) 60 throw new Exception("len is too short"); 61 var add = bitLength - bin.Length; 62 for (int i = 0; i < add; i++) 63 { 64 BinString.Append('0'); 65 } 66 BinString.Append(bin); 67 } 68 69 private void Check8() 70 { 71 var add = 8 - BinString.Length % 8; 72 for (int i = 0; i < add; i++) 73 { 74 BinString.Append("0"); 75 } 76 } 77 } |
下面举个简单的例子：
var writer = new BitWriter();
writer.Write(12,5); //把12用5bit写入，此时二进制字符串为：01100
writer.Write(8,16); //把8用16bit写入，此时二进制字符串为：011000000000000001000
var result = writer.GetBytes(); //8bit对齐为011000000000000001000000
//返回结果为[96,0,64]
