java - 实用程序将字节数组中的位提取到新的字节[]中

Question

我正在尝试构建一个实用程序类以使按位操作和转换更具可读性。目前，我一直致力于构建一种从字节数组中提取位并从中形成新的 byte[] 的方法。不用说，我对按位运算不太熟练。

我相信它可能可以使用 BitSet 来实现，但是会有太多转换，并且实现将是 Java 特定的。如果有一个清晰的算法，以后可以轻松移植到其他语言，那就太好了。

到目前为止我已经做到了:

    public static byte[] toBytes(int offset /*full bytes*/, int bitsOffset /*bytes + bits*/, int bitsCount, byte... bytes) {
        int bytesCount = bitsCount / 8;
        int paddingBits = bitsCount % 8;
        int partialBits = 8 - paddingBits;

        if (paddingBits > 0) {
            bytesCount++;
        }

        byte[] data = new byte[bytesCount];

        return data;
    }

我已将上述内容注释掉并临时替换为

    public static byte[] toBytes(int offset, int bitsOffset, int bitsCount, byte... bytes) {
        int firstBitIndex = (offset * 8) + bitsOffset;
        return new BigInteger(new BigInteger(1, bytes).toString(2).substring(firstBitIndex, firstBitIndex + bitsCount), 2).toByteArray();
    }

但是，我仍然希望有一个适当的实现，开销尽可能小，并且不特定于 Java(不使用特定于 Java 的工具，如 BitSet)

这是我期望它做什么的提示

   /**
     * [0000 0110   1111 0010] = toBytes(1, 4, 12, [xxxx xxxx   xxxx 0110   1111 0010   xxxx xxxx])
     * [0000 0110   1111 0010] = toBytes(1, 5, 12, [xxxx xxxx   xxxx x011   0111 1001   0xxx xxxx])
     * [0000 0110   1111 0010] = toBytes(1, 6, 12, [xxxx xxxx   xxxx xx01   1011 1100   10xx xxxx])
     */

这里是一些单元测试

public class ByteUtilTest {

    @Test
    public void toBytes_sameByte() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 4, 3,
                toByte("11111111"),
                toByte("11110111"),
                toByte("11111111"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("00000011")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_sameByte_full() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 0, 8,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("11111111"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("01110101")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_sameByte_noneWithoutOffset() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 0, 0,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("11111111"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(0, result.length);
    }

    @Test
    public void toBytes_sameByte_noneWithOffset() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 3, 0,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("11111111"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(0, result.length);
    }

    @Test
    public void toBytes_twoBytes_resultWithTwoBytes() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 2, 11,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011111"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("00000110"), toByte("10110011")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_twoBytes_resultWithOneByte() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 2, 7,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011111"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("01101011")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_twoBytes_firstFull() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 0, 11,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011111"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("00000011"), toByte("10101100")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_twoBytes_lastFull() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 5, 11,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011101"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("00000101"), toByte("10011101")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_twoBytes_bothFull() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 0, 16,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011101"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("01110101"), toByte("10011101")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_threeBytes() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 2, 19,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011101"),
                toByte("10111111"));

        assertEquals(
                toBinaryString(
                        toByte("00000110"),
                        toByte("10110011"),
                        toByte("10110111")),
                toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_threeBytes_firstFull() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 0, 19,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011101"),
                toByte("10111111"));

        assertEquals(
                toBinaryString(
                        toByte("00000011"),
                        toByte("10101100"),
                        toByte("11101101")),
                toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_threeBytes_lastFull() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 2, 22,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011101"),
                toByte("10111111"));

        assertEquals(
                toBinaryString(
                        toByte("00110101"),
                        toByte("10011101"),
                        toByte("10111111")),
                toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_threeBytes_allFull() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 0, 24,
                toByte("11111111"),
                toByte("01110101"),
                toByte("10011101"),
                toByte("10111111"));

        assertEquals(
                toBinaryString(
                        toByte("01110101"),
                        toByte("10011101"),
                        toByte("10111111")),
                toBinaryString(result));
    }



    @Test
    public void toBytes_bitsOffset_4() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 4, 12,
                toByte("11111111"),
                toByte("11110110"),
                toByte("11110010"),
                toByte("11111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("00000110"), toByte("11110010")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_bitsOffset_5() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 5, 12,
                toByte("11111111"),
                toByte("11111011"),
                toByte("01111001"),
                toByte("01111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("00000110"), toByte("11110010")), toBinaryString(result));
    }

    @Test
    public void toBytes_bitsOffset_6() {
        byte[] result = ByteUtil.toBytes(1, 6, 12,
                toByte("11111111"),
                toByte("11111101"),
                toByte("10111100"),
                toByte("10111111"));

        assertEquals(toBinaryString(toByte("00000110"), toByte("11110010")), toBinaryString(result));
    }

    private String toBinaryString(byte... data) {
        StringBuilder binaryStr = new StringBuilder();
        String value = Integer.toBinaryString(data[0]);
        if (value.length() > 8) value = value.substring(value.length() - 8);
        else if (value.length() < 8) value = String.format("%8s", value).replace(" ", "0");
        binaryStr.append(value);
        for (int i = 1; i < data.length; i++) {
            value = Integer.toBinaryString(data[i]);
            if (value.length() > 8) value = value.substring(value.length() - 8);
            else if (value.length() < 8) value = String.format("%8s", value).replace(" ", "0");
            binaryStr.append(" ").append(value);
        }

        return binaryStr.toString();
    }


    private String toString(byte[] data) {
        return Arrays.toString(data);
    }

    private byte toByte(String binary) {
        return (byte) Integer.parseInt(binary, 2);
    }
}

Answer 1

So far I've got [...] byte[] data = new byte[bytesCount];

不幸的是，这种方法仅在您的位偏移量是 8 的倍数时才有效。在所有其他情况下，您必须划分要复制的每个字节。下图说明了如何划分每个字节以及将划分后的部分放置在何处。

_{MSB = 最高有效位
LSB = 最低有效位}

由于存在很多极端情况，实现上述算法有点棘手。以下实现通过了您和我的所有测试。我使用了许多变量来给所有计算赋予有意义的名称，希望更容易理解。您可以通过消除其中一些变量并就地计算一些值来缩短实现时间。

我冒昧地将您的函数 toBytes 重命名为 bitSubstring。对于已经将字节作为输入的方法来说，以前的名称 toBytes 似乎有点不合适。

public static byte[] bitSubstring(int byteOffset, int bitOffset,
                                  int lengthInBits, byte... source) {
    return bitSubstring(8 * byteOffset + bitOffset, lengthInBits, source);
}

public static byte[] bitSubstring(int startBit, int lengthInBits,
                                  byte... source) {
    assert startBit >= 0 && startBit < 8 * source.length;
    assert lengthInBits >= 0 && startBit + lengthInBits <= 8 * source.length;

    int lengthInBytes = (int) Math.ceil(lengthInBits / 8.0);
    byte[] target = new byte[lengthInBytes];
    int startByte = startBit / 8;
    int endBitExclusive = startBit + lengthInBits;
    int endByteExclusive = (int) Math.ceil(endBitExclusive / 8.0);
    int sourceBytesToRead = endByteExclusive - startByte;
    int lowerPartSize = 8 * endByteExclusive - endBitExclusive;
    int shiftLowerUp = (8 - lowerPartSize);
    int shiftUpperDown = lowerPartSize;
    int lastSrc = 0;
    if (sourceBytesToRead > lengthInBytes) {
        lastSrc = source[startByte] & 0xFF;
        startByte++;
    }
    for (int targetByte = 0; targetByte < target.length; ++targetByte) {
        int curSrc = source[startByte + targetByte] & 0xFF;
        target[targetByte] |= (lastSrc << shiftLowerUp)
                            | (curSrc >>> shiftUpperDown);
        lastSrc = curSrc;
    }
    int overhang = 8 * lengthInBytes - lengthInBits;
    if (overhang > 0) {
        target[0] &= 0xFF >>> overhang;
    }
    return target;
}

上面的算法应该相当快。但是，如果您只对实现大小和可读性感兴趣，那么逐点复制的方法会更好。

public static byte[] bitSubstringSlow(int startBitSource, int lengthInBits,
                                      byte... source) {
    byte[] target = new byte[(int) Math.ceil(lengthInBits / 8.0)];
    int startBitTarget = (8 - lengthInBits % 8) % 8;
    for (int i = 0; i < lengthInBits; ++i) {
        setBit(target, startBitTarget + i, getBit(source, startBitSource + i));
    }
    return target;
}

public static int getBit(byte[] source, int bitIdx) {
    return (source[bitIdx / 8] >>> (7 - bitIdx % 8)) & 1;
}

public static void setBit(byte[] target, int bitIdx, int bitValue) {
    int block = bitIdx / 8;
    int shift = 7 - bitIdx % 8;
    target[block] &= ~(1 << shift);
    target[block] |= bitValue << shift;
}

...或者可重用性较差但更短:

public static byte[] bitSubstringSlow2(int startBitSource, int lengthInBits,
                                       byte... source) {
    byte[] target = new byte[(int) Math.ceil(lengthInBits / 8.0)];
    int startBitTarget = (8 - lengthInBits % 8) % 8;
    for (int i = 0; i < lengthInBits; ++i) {
        int srcIdx = startBitSource + i;
        int tgtIdx = startBitTarget + i;
        target[tgtIdx / 8] |= ((source[srcIdx / 8] >>> (7 - srcIdx % 8)) & 1)
                              << (7 - tgtIdx % 8);
    }
    return target;
}