字节流与位流的相互转换实现

引言：

在项目开发中，我们会遇到字节流与比特流相互转换、逐字节、逐位操作的场景。没有现成的库供我们调用，需要我们自己实现之。

一、字节流、位流介绍

【维基百科--字节流】：在计算机科学里面，字节流（byte stream）是一种位流，不过里面的比特被打包成一个个我们叫做字节（Bytes）的单位。

【字节流范例】：在网络传输协议里面比较有名，且会提供字节流给客户端的范例是TCP/IP通讯协定里面的传输控制协议（TCP），这种协议提供了双向的字节流。

【维基百科--位元流】：一个位元流（bitstream或bit stream）是一个位元的序列。一个字节流则是一个字节的序列，一般来说一个字节是8个位元。也可以被视为是一种特殊的位元流。

【位元流范例】：位元流在远程通信和计算这些领域里面被广泛的使用：举例来说，同步光网络通信科技会传输同步位元流。

在项目的开发中，我们经常会遇到对于给定的字符串“0123456789abcdef”（字节流，16个字节），我们需要其转化为对应的二进制位流（其中0对应的ASCII码元为0x30，对应二进制为00110000，一个字节用8个二进制模拟输出，合计16*8=128个二进制数据）。

没有现成的库函数供我们调用，所以考虑字节流的特点，加上位元算的操作，以下是其相互转换的完整的实现及测试用例。

二、字节流转为位流的核心操作——如何获取到每一位

方法：通过右移操作，然后与1（0000 0001）求与的方式。

如下表所示，依次实现0x30右移动（1,2,3,4…）位，然后与0000 0001进行与操作；显然，只有当移动到的末位为1时两者与操作才为1（右移动4位），其他都为0。如：

初始	右移0位 >>0	0x30	00110000
右移1位	右移1位 >>1	0x18	00011000
右移2位	右移2位 >>2	0x0c	00001100
右移3位	右移3位 >>3	0x06	00000110
右移4位	右移4位 >>4	0x03	00000011

三、位流转为字节流的核心：如何将8位合为一个字节

比特流	字节流
0011 0000	0128+064+132+116+0=48(10进制）=0x30(16进制)

方法一：通过传统每位与基数相乘累计求和的方式实现。

方法二：每8位一个单元，”或”的方式模拟求和（与字节流转化为位流方法相反），详见代码。

四、位流与字节流相互转化的实现

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <iostream>
using namespace std;
 
#define  UCHAR  unsigned char
const int MULTIPLE = 8;       //字节流长度是位流的8倍
const int FIX_VAL = 0X01;     //求&专用特定值
const int g_BinArr[MULTIPLE] = {128,64,32,16,8,4,2,1}; //2的次幂
 
/*
**@brief 字节流转为位流
**@param [in]puchByte,字节流;[in]iByteLen，字节流长度; 
   [in&out]puchBit,位流; [in&out]iBitLen,位流长度
**@return 空
*/
void byte_to_bit(const UCHAR *puchByte, const int& iByteLen, UCHAR *puchBit, int *pBitLen)
{
 assert(puchByte != NULL && iByteLen >0 && puchBit != NULL && pBitLen !=NULL);
 
 int iBitLen = 0;
 for (int i = 0; i < iByteLen; i++)
 {
  for(int j = 0; j < MULTIPLE; j++)
  {
   //printf("%0x >> %d = %0x\n", puchByte[i], j, puchByte[i]>>j);
   puchBit[i*MULTIPLE + MULTIPLE - 1 - j] = ((puchByte[i])>>j)&FIX_VAL;
   iBitLen++;
  }//end for j
 }//end for 
 
 *pBitLen = iBitLen;
}           

/*
**@brief 位流转为字节流
**@param [in]puchBit,位流;[in]iBitLen，位流长度; 
   [in&out]puchByte,字节流 [in&out]pByteLen,字节流长度
**@return 空
*/
void bit_to_byte(const UCHAR *puchBit, const int& iBitLen, UCHAR *puchByte, int* pByteLen)
{
 assert(puchBit && iBitLen > 0 && puchByte && pByteLen);
 int iByteNo = 0;  
 int iBitInByte = 0;
 for(int i = 0; i < iBitLen; i++)
 {
  iByteNo = i/MULTIPLE;    //字节序号
  iBitInByte = i%MULTIPLE; //字节里的比特序号(0-7)
 
  puchByte[iByteNo] += puchBit[i]*g_BinArr[iBitInByte];  //累计求和
  
  //cout << "iByteNo =:" << iByteNo << "\t iBitInByte = " << iBitInByte \
  //<< "\t puchByte[iByteNo] = " << puchByte[iByteNo] << endl;
 }//end for i
 *pByteLen = iBitLen/MULTIPLE;
}           

/*
**@brief 位流转为字节流[方法二]
**@param [in]puchBit,位流;[in]iBitLen，位流长度; 
   [in&out]puchByte,字节流; [in&out]字节流长度
**@return 空
*/
void bit_to_byte_ext(const UCHAR *puchBit, const int& iBitLen, UCHAR *puchByte, int* iByteLen)
{
 assert(puchBit && iBitLen > 0 && puchByte && iByteLen);
 
 int iByteNo = 0;              //字节号
 UCHAR uchTmp = 0; 
 for(int i = 0; i < iBitLen; i+=MULTIPLE)
 {
  for(int j = 0; j < MULTIPLE; j++)
  {
   //通过或的方式累计求和
   uchTmp |= ((puchBit[i + j])<<(MULTIPLE - 1 - j));
  }
  //printf("uchTmp = %0x\n",uchTmp);
  puchByte[iByteNo] = uchTmp;
  
  iByteNo++;    //字节号+1
  uchTmp = 0;
 }//end for i
 
 *iByteLen = iByteNo;
}           

/*
**@brief 测试位流与字节流互转
**@param  空
**@return 空
*/
void test_byte_bit()
{
 const UCHAR uchByte[] = "0123456789abcdef";        //原始字节流
 int iByteLen = sizeof(uchByte)/sizeof(UCHAR) - 1;  //原始字节流长度
 int iBitLen = MULTIPLE*iByteLen;                   //比特流长度
 UCHAR *puchBit = new UCHAR[iBitLen];
 memset(puchBit, 0, iBitLen);
 
 cout << "原始字节流为: ";
 #if 0
 for (int i = 0; i < iByteLen; i++)
 {
  printf("%0x\t", uchByte[i]);                  
 }
 printf("\n");
 #endif
 cout << uchByte << endl;
 
 int iBitLenX = 0;
 byte_to_bit(uchByte, iByteLen, puchBit, &iBitLenX);  //字节转化为比特流
 
 cout << "测试字节流转化过的位流为: " << endl;
 for (int i = 0; i < iBitLen; i++)
 {
  printf("%0x",puchBit[i]);
 }
 printf("\n");
 cout << "位流长度为: " << iBitLenX << endl << endl;
 
 UCHAR* puchByte = new UCHAR[1 + iByteLen];
 memset(puchByte, 0, 1 + iByteLen);
 int iByteLenX = 0;
 
 #if 1
 bit_to_byte(puchBit, iBitLen, puchByte, &iByteLenX);    //比特流转化字节流方法1
 #endif
 
 #if 0
 bit_to_byte_ext(puchBit, iBitLen, puchByte, &iByteLenX); //比特流转化字节流方法2
 #endif
 
 cout << "测试位流转化过的字节流为: " << endl;
 
 for (i = 0; i < iByteLen; i++)
 {
  printf("%0x\t",puchByte[i]);
 }
 printf("\n");
 
 cout << "位流转为成的字节流为: " << puchByte << endl;
 cout << "字节流的长度为: " << iByteLen << endl;
 
 if (puchBit != NULL)
 {
  delete []puchBit;
  puchBit = NULL;
 }
 if (puchByte != NULL)
 {
  delete []puchByte;
  puchByte = NULL;
 }
}
 
int main()
{
 test_byte_bit();
 
 return 0;
}           

五、结语：

根据代码走读，会加深对于字节流与位流相互转换的理解。

作者：铭毅天下

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