是否有反转位顺序的内置函数答案

【问题标题】：Is there a built-in function to reverse bit order是否有反转位顺序的内置函数
【发布时间】：2010-08-27 20:17:37
【问题描述】：

我想出了几种手动的方法来做到这一点，但我一直想知道是否有内置的 .NET 可以做到这一点。

基本上，我想在一个字节中反转位顺序，以便最低有效位成为最高有效位。

例如： 1001 1101 = 9D 会成为 1011 1001 = B9

如果遵循此伪代码，其中一种方法是使用按位运算：

for (i = 0; i<8; i++)
{
  Y>>1
  x= byte & 1
  byte >>1
  y = x|y;
}

我想知道某处是否有一个函数可以让我在一行中完成所有这些操作。另外，你知道这种手术的术语吗，我确定有，但我现在不记得了。

谢谢

【问题讨论】：

出于好奇，为什么？你在哪里使用这样的东西？但是你可以在这里找到你的解决方案graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html
我一直想知道为什么BitConverter 或BitArray 类没有更多此类JIT 编译器可以映射到本机机器指令的方法。计算设置位数是另一个例子。
@Chad：这是智能卡通信中自然出现的东西。一些过时的智能卡期望 I/O 位以相反的顺序排列，因此阅读器必须反转这些位。只是一个例子。
你的伪代码乱七八糟。
@CaffGeek 我刚刚遇到了您需要执行此操作的地方... VNC DES 身份验证获取密钥中的字节并镜像 8 字节密钥的每个字节中的位。疯了。

标签： c# .net bitwise-operators

【解决方案1】：

我决定做一些关于反转方法的性能测试。

使用Chad's link我写了以下方法：

public static byte[] BitReverseTable =
{
    0x00, 0x80, 0x40, 0xc0, 0x20, 0xa0, 0x60, 0xe0,
    0x10, 0x90, 0x50, 0xd0, 0x30, 0xb0, 0x70, 0xf0,
    0x08, 0x88, 0x48, 0xc8, 0x28, 0xa8, 0x68, 0xe8,
    0x18, 0x98, 0x58, 0xd8, 0x38, 0xb8, 0x78, 0xf8,
    0x04, 0x84, 0x44, 0xc4, 0x24, 0xa4, 0x64, 0xe4,
    0x14, 0x94, 0x54, 0xd4, 0x34, 0xb4, 0x74, 0xf4,
    0x0c, 0x8c, 0x4c, 0xcc, 0x2c, 0xac, 0x6c, 0xec,
    0x1c, 0x9c, 0x5c, 0xdc, 0x3c, 0xbc, 0x7c, 0xfc,
    0x02, 0x82, 0x42, 0xc2, 0x22, 0xa2, 0x62, 0xe2,
    0x12, 0x92, 0x52, 0xd2, 0x32, 0xb2, 0x72, 0xf2,
    0x0a, 0x8a, 0x4a, 0xca, 0x2a, 0xaa, 0x6a, 0xea,
    0x1a, 0x9a, 0x5a, 0xda, 0x3a, 0xba, 0x7a, 0xfa,
    0x06, 0x86, 0x46, 0xc6, 0x26, 0xa6, 0x66, 0xe6,
    0x16, 0x96, 0x56, 0xd6, 0x36, 0xb6, 0x76, 0xf6,
    0x0e, 0x8e, 0x4e, 0xce, 0x2e, 0xae, 0x6e, 0xee,
    0x1e, 0x9e, 0x5e, 0xde, 0x3e, 0xbe, 0x7e, 0xfe,
    0x01, 0x81, 0x41, 0xc1, 0x21, 0xa1, 0x61, 0xe1,
    0x11, 0x91, 0x51, 0xd1, 0x31, 0xb1, 0x71, 0xf1,
    0x09, 0x89, 0x49, 0xc9, 0x29, 0xa9, 0x69, 0xe9,
    0x19, 0x99, 0x59, 0xd9, 0x39, 0xb9, 0x79, 0xf9,
    0x05, 0x85, 0x45, 0xc5, 0x25, 0xa5, 0x65, 0xe5,
    0x15, 0x95, 0x55, 0xd5, 0x35, 0xb5, 0x75, 0xf5,
    0x0d, 0x8d, 0x4d, 0xcd, 0x2d, 0xad, 0x6d, 0xed,
    0x1d, 0x9d, 0x5d, 0xdd, 0x3d, 0xbd, 0x7d, 0xfd,
    0x03, 0x83, 0x43, 0xc3, 0x23, 0xa3, 0x63, 0xe3,
    0x13, 0x93, 0x53, 0xd3, 0x33, 0xb3, 0x73, 0xf3,
    0x0b, 0x8b, 0x4b, 0xcb, 0x2b, 0xab, 0x6b, 0xeb,
    0x1b, 0x9b, 0x5b, 0xdb, 0x3b, 0xbb, 0x7b, 0xfb,
    0x07, 0x87, 0x47, 0xc7, 0x27, 0xa7, 0x67, 0xe7,
    0x17, 0x97, 0x57, 0xd7, 0x37, 0xb7, 0x77, 0xf7,
    0x0f, 0x8f, 0x4f, 0xcf, 0x2f, 0xaf, 0x6f, 0xef,
    0x1f, 0x9f, 0x5f, 0xdf, 0x3f, 0xbf, 0x7f, 0xff
};
public static byte ReverseWithLookupTable(byte toReverse)
{
    return BitReverseTable[toReverse];
}
public static byte ReverseBitsWith4Operations(byte b)
{
    return (byte)(((b * 0x80200802ul) & 0x0884422110ul) * 0x0101010101ul >> 32);
}
public static byte ReverseBitsWith3Operations(byte b)
{
    return (byte)((b * 0x0202020202ul & 0x010884422010ul) % 1023);
}
public static byte ReverseBitsWith7Operations(byte b)
{
    return (byte)(((b * 0x0802u & 0x22110u) | (b * 0x8020u & 0x88440u)) * 0x10101u >> 16);
}
public static byte ReverseBitsWithLoop(byte v)
{
    byte r = v; // r will be reversed bits of v; first get LSB of v
    int s = 7; // extra shift needed at end
    for (v >>= 1; v != 0; v >>= 1)
    {
        r <<= 1;
        r |= (byte)(v & 1);
        s--;
    }
    r <<= s; // shift when v's highest bits are zero
    return r;
}
public static byte ReverseWithUnrolledLoop(byte b)
{
    byte r = b;
    b >>= 1;
    r <<= 1;
    r |= (byte)(b & 1);
    b >>= 1;

    r <<= 1;
    r |= (byte)(b & 1);
    b >>= 1;

    r <<= 1;
    r |= (byte)(b & 1);
    b >>= 1;

    r <<= 1;
    r |= (byte)(b & 1);
    b >>= 1;

    r <<= 1;
    r |= (byte)(b & 1);
    b >>= 1;

    r <<= 1;
    r |= (byte)(b & 1);
    b >>= 1;

    r <<= 1;
    r |= (byte)(b & 1);
    b >>= 1;

    return r;
}

然后我测试了一下，结果如下：

测试功能：

100000000 个随机字节反转
操作系统：Windows 7 x64
CPU：AMD Phenom II 955（4 核 @ 3.2 GHz）
内存：4GB
IDE：Visual Studio 2010

目标框架 3.5

-----------------------------------------------------
|    Method     | Ticks(x64 mode) | Ticks(x86 mode) |
-----------------------------------------------------
| Loop          |   4861859       |   4079554       |
| Unrolled Loop |   3241781       |   2948026       |
| Look-up table |   894809        |   312410        |
| 3-Operations  |   2068072       |   6757008       |
| 4-Operations  |   893924        |   1972576       |
| 7-Operations  |   1219189       |   303499        |
-----------------------------------------------------

目标框架 4

-----------------------------------------------------
|    Method     | Ticks(x64 mode) | Ticks(x86 mode) |
-----------------------------------------------------
| Loop          |   4682654       |   4147036       |
| Unrolled Loop |   3154920       |   2851307       |
| Look-up table |   602686        |   313940        |
| 3-Operations  |   2067509       |   6661542       |
| 4-Operations  |   893406        |   2018334       |
| 7-Operations  |   1193200       |   991792        |
-----------------------------------------------------

所以，查表法并不总是最快的:)

这是合理的，因为内存访问比 CPU 寄存器访问慢，所以如果某些方法被编译和优化到足以避免内存访问（并执行少量操作），它会更快。（无论如何，CPU mem缓存极大地减少了差距）

查看 x64 或 x86 模式下的不同行为以及 3.5 和 4.0 框架如何执行不同的优化也很有趣。

【讨论】：

哇，很有趣。虽然我希望找到一种方法来为我做这件事，但我想我会使用你的 7-Operations 来提高性能。我只做了 2 年，并且不太倾向于考虑性能。现在也许是开始的好时机:)
什么样的CPU，速度有多快？
您必须包含除实际反向位代码之外的其他内容。在我的 2.5GHZ 上，展开循环 100,000,000 次是
@dbasnett：我的目的不是显示解决问题所花费的时间/时间，而是在不同的算法之间进行比较。无论如何，为了测试它，我创建了一个 100K 随机条目数组，然后在循环中为每个反转方法读取它。
@digEmAll 你在测量之前是否调用了每个方法一次，以确保你没有测量 JIT 编译时间？

【解决方案2】：

不，BCL 中没有任何内容。

但是，假设您想要快速的东西：

由于只有 8 位，因此展开循环是值得的（使用 4 条语句而不是 for 循环）。
要获得更快的解决方案，请创建一个包含 256 个条目的查找表。

您当然可以将这两种方法都包装在一个函数中，这样使用只需 1 条语句。

我为这个问题找到了a page。

【讨论】：

查找表解决方案很常见，对于这样的问题。它们非常适合对小型基本类型（如 byte 或 short）进行操作，但它们无法扩展到更大的类型，如 int 或 long。
@LBushkin：虽然你不能说它们在普通情况下可以缩放，但在这种情况下你可以重复使用查找表来翻转更大类型的单个字节。
如果您有兴趣，我添加了一些性能测试的答案；）
感谢您的建议，还没有真正考虑过性能。 +1

【解决方案3】：

您可以遍历位并以相反的顺序获取它们：

public static byte Reverse(this byte b)
{
    int a = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++)
        if ((b & (1 << i)) != 0)
            a |= 1 << (7- i);
    return (byte)a;
}

【讨论】：

不鼓励仅使用代码回答，因为它们没有为未来的读者提供太多信息，请对您所写的内容提供一些解释

【解决方案4】：

您可以在fxtbook 中找到位旋转算法。第 1.14 章给出了这些位交换算法：

    static uint bitSwap1(uint x) {
        uint m = 0x55555555;
        return ((x & m) << 1) | ((x & (~m)) >> 1);
    }
    static uint bitSwap2(uint x) {
        uint m = 0x33333333;
        return ((x & m) << 2) | ((x & (~m)) >> 2);
    }
    static uint bitSwap4(uint x) {
        uint m = 0x0f0f0f0f;
        return ((x & m) << 4) | ((x & (~m)) >> 4);
    }

这使您的字节值位反转：

    public static byte swapBits(byte value) {
        return (byte)(bitSwap4(bitSwap2(bitSwap1(value))));
    }

x86 JIT 编译器不能很好地优化此代码。如果速度很重要，那么您可以使用它来初始化 byte[] 以使其成为快速查找。

【讨论】：

有用的描述： bitSwap1 将每个位与它的邻居反转，所以如果我们将（第一个字节的）位编号为 87654321，那么在调用 bitSwap1 之后，我们将从 8 开始-7'6-5'4-3'2-1 到 7-8'5-6'3-4'1-2。 bitSwap2 的作用相同，但在相邻的两对中，所以继续我们将从 78-56'34-12 变为 56-78'12-34。最后 bitSwap4 以四个为一组进行交换，因此从 5678-1234 我们将得到 1234-5678。（要交换整个 uint，您还需要 bitSwap8 和 bitSwap16。）

【解决方案5】：

使用@Chads 链接

byte b; 
b = 0x9D;
b = (byte)((b * 0x0202020202 & 0x010884422010) % 1023);

编辑：忘记演员表

【讨论】：

【解决方案6】：

请参阅此综合bit-twiddling hacks，即您想要“通过 3 次操作（64 位乘法和模除法）反转字节中的位”

int lVal = 0x9D;
int lNewVal = (int)((((ulong)lVal * 0x0202020202UL) & 0x010884422010UL) % 1023);
System.Diagnostics.Debug.WriteLine(string.Format("{0:X2}", lNewVal));

当你运行它时，你会发现值被反转为 0xB9。

【讨论】：

【解决方案7】：

private UInt32 BitReverse(UInt32 value)
{
  UInt32 left = (UInt32)1 << 31;
  UInt32 right = 1;
  UInt32 result = 0;

  for (int i = 31; i >= 1; i -= 2)
  {
    result |= (value & left) >> i;
    result |= (value & right) << i;
    left >>= 1;
    right <<= 1;
  }
  return result;
}

【讨论】：

【解决方案8】：

10 年后。但我希望这对某人有所帮助。我做了一个这样的反向操作：

byte Reverse(byte value)
{
    byte reverse = 0;
    for (int bit = 0; bit < 8; bit++)
    {
        reverse <<= 1;
        reverse |= (byte)(value & 1);
        value >>= 1;
    }

    return reverse;
}

【讨论】：