结构和类的 C++ 位运算

Question

我正在开发一个通用遗传算法库，其中每个生物体的染色体是它在内存中的位表示。因此，例如，如果我想改变一个有机体，我会随机翻转对象本身的位。

起初，我尝试使用 C++ 标准库中的 bitset 类，但是，当转换回对象 T 时，我唯一的选择是使用 to_ullong 成员函数，这对于表示来说是个问题位数大于unsigned long long 的大小。

然后我决定为任何对象T 上的按位操作创建一个通用库，这样我就可以将这些操作直接应用于对象本身，而不是先将它们转换为bitset。

所以你可以看到我想要实现的目标，这是库中的一个函数：

template<typename T>
void flip(T& x, size_t const i)
{
    x ^= 1 << i;
}

它在 GA 库中是这样使用的：

template<typename T>
void GeneticAlgorithm<T>::mutate(T& organism, double const rate)
{
    std::random_device rd;
    std::mt19937 mt(rd());

    std::uniform_real_distribution<double> dist(0, 1);

    for(size_t i = 0; i < m_nBits; ++i)
        if(dist(mt) <= rate)
            bit::flip(organism, i);
}

如果这能正常工作，那就太好了，但是现在我从 VC++ 2015 RC 编译器收到此错误消息：

严重性代码描述项目文件行错误 C2677 二进制“^”：否 找到了类型为“T”的全局运算符（或者没有可接受的 转换）遗传算法路径\遗传算法\遗传算法\BitManip.hpp 57

如果我为 ^ 更正此错误，我会为其他运算符获得更多信息。

我之前没有在我的代码中使用过位运算符，所以我猜这些运算符不应该与任何对象一起使用？如果是这样，我该如何解决这个问题？

Answer 1

您想要实现的目标可以这样完成（参见 Peter Schneider 的评论）：

template<typename T> void flip(T& x, size_t const i) {
    unsigned char* data = reinterpret_cast<unsigned char*>(&x);
    data[i/8] ^= (1 << (i%8));
}

它所做的是将数据 x 重新解释为字节数组（无符号字符），然后确定应该翻转哪个字节 (i/8)，然后确定字节中的哪个位 (i%8)。

注意：另外，在函数开头添加可能是安全的：

assert(i < sizeof(T)*8)

Answer 2

我的印象是您还没有完全理解 C++ 提供的面向对象的特性。 （这在 C 中以数据为中心的编程中并不罕见。C++ 专门设计用于以所需的速度进行转换并使其无痛。）

我的建议是将翻转操作封装在一个有机体中，让有机体来处理。作为插图（未经测试，但可以编译）：

#include<climits>  // CHAR_BIT
#include<cstdlib>  // exit()

class string;
void log(const char *);

// inaccessible from the outside
constexpr int NUM_TRAITS = 1000;
constexpr size_t TRAIT_ARR_SZ = (NUM_TRAITS+CHAR_BIT-1)/CHAR_BIT;

class Organism
{ 

    char traits[TRAIT_ARR_SZ];
    int flips[NUM_TRAITS];

    /////////////////////////////////////////////////////////////
    public:

    Organism()  {  /* set traits and flips zero */  }

    // Consider a virtual function if you may derive 
    /** Invert the trait at index traitIndex */
    void flipTrait(int traitIndex)
    {
        if( traitIndex >= NUM_TRAITS ) { log("trait overflow"); exit(1); }

        int charInd = traitIndex / CHAR_BIT;
        int bitInd = traitIndex % CHAR_BIT;

        traits[traitIndex] ^= 1 << bitInd;
        flips[traitIndex]++;
    }

    // Organisms can do so much more!
    void display();
    void store(string &path);
    void load(string &path);
    void mutate(float traitRatio);
    Organism clone();
};