什么是位掩码？

Question

什么是位掩码？

cbit-manipulationbitwise-operatorsterminologybitmask

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我对C编程还比较新，最近接触到了位掩码，想了解一下它的一般概念和功能。

提供一些例子将更容易理解。

- Mr.Z

6

我知道不应该张贴链接，但维基百科的解释非常好：https://en.wikipedia.org/wiki/Mask_(computing) - pevik

相关链接：什么是位移（bit-shift）运算符，它们是如何工作的？ - Peter Mortensen

6个回答

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掩蔽是指保留、更改或删除所需信息的一部分。让我们看一个图像掩蔽操作; 就像这个掩蔽操作正在去除不是皮肤的任何东西：

在此示例中，我们执行了一个与运算。还有其他掩蔽运算符 - 或和XOR。

位掩蔽是指对位进行掩蔽。这里是一个带有与运算的位掩蔽 -

     1 1 1 0 1 1 0 1     input
(&)  0 0 1 1 1 1 0 0      mask
------------------------------
     0 0 1 0 1 1 0 0    output

因此，只有中间四个位（因为这些位在此掩码中为1）保留。

让我们使用XOR来看一下——

     1 1 1 0 1 1 0 1     input
(^)  0 0 1 1 1 1 0 0      mask
------------------------------
     1 1 0 1 0 0 0 1    output

现在，中间的四个比特被翻转了（1 变成了 0，0 变成了 1）。

因此，使用位掩码可以访问单个位（示例）。有时，这种技术也可用于提高性能。以这个为例-

bool isOdd(int i) {
    return i%2;
}

这个函数用来判断一个整数是奇数还是偶数。我们可以使用位掩码更有效地实现相同的结果 —

bool isOdd(int i) {
    return i&1;
}

简要解释：如果二进制数的最低有效位（LSB）是1，则该数为奇数；如果是0，则为偶数。因此，通过与1进行AND操作，我们可以删除除最低有效位以外的所有其他位，即：

     55  ->  0 0 1 1 0 1 1 1     input
(&)   1  ->  0 0 0 0 0 0 0 1      mask
---------------------------------------
      1  <-  0 0 0 0 0 0 0 1    output

- Minhas Kamal

3

另外，如果一个整数是偶数，将其转换为奇数：i=i|1。当我们尝试生成像1、3、5、...、2、4、6、...这样的序列时，这非常方便。 - Harshit Sharma

1

您还可以使用以下操作来查找仅具有整数中最低有效位的数字：lsb = i&-i - Harshit Sharma

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位和字节

在计算机中，数字以二进制形式内部表示。这意味着，当您为变量使用整数类型时，它实际上将被表示为零和一的总和。

正如您所知，一个比特表示一个0或一个1。八个这些位的串联表示一个字节，例如00000101，它是数字5。我假设您知道数字如何以二进制形式表示，如果不知道，请看看这里。

在PHP中，一个数字（大多数情况下）有4个字节长。这意味着您的数字实际上使用了32位的内部存储。但出于简单起见，在本答案中，我将使用8位数字。

使用位存储状态

现在想象一下，你想要创建一个程序来保存状态，该状态基于多个值，这些值是一个(true)或零(false)。可以将这些值存储在不同的变量中，无论是布尔型还是整数型。或者使用单个整数变量，并使用其内部32位的每个位来表示不同的true和false。

一个例子：00000101。这里从右到左读取第一位(reading from right to left)为true，表示第一个变量。第二位为false，表示第二个变量。第三位为true。以此类推...

这是一种非常紧凑的存储数据的方式，有许多用途。

位掩码

这就是位掩码发挥作用的地方。听起来很复杂，但实际上很简单。

位掩码允许您使用在位级别上工作的操作。

编辑字节中的特定位(bit)
检查特定位(bit)值是否存在。

实际上，您将一个掩码(mask)应用到一个值上，在我们的情况下，该值是我们的状态00000101，而掩码是再次是一个二进制数，它指示感兴趣的位(bit)。

通过对掩码和状态进行二进制操作，可以实现以下功能：

AND运算符提取状态中的一部分位
OR运算符设置状态中的一部分位
XOR运算符切换状态中的一部分位

如果我们想将特定值设置为true，则可以使用OR运算符和以下位掩码：

Mask:   10000000b
Value:  00000101b
---- OR ---------
Result: 10000101b

或者可以使用 AND 运算符从状态中选择特定的值：

Mask:   00001100b
Value:  00000101b
---- AND ---------
Result: 00000100b

我建议您深入了解它，并熟悉这个术语。一个很好的开始可能是this链接。

祝您好运！

- DJanssens

1

我对你所说的“value”和“mask”的术语持有异议。实际上，掩码才是会覆盖原值的东西。也就是说，你先有一个数值，然后再用掩码进行处理，最终得到结果。（如果你同意的话，请交换一下这两个术语） - Mike Graf

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这只是一个在二进制中表示的数字。例如，假设我有8个布尔值（true 或 false）要存储。我可以将其存储为8个布尔值的数组，或者我可以将其存储为一个单独的字节（8位），每个位都存储其中一个布尔值（0 = false，1 = true）。

此时，我可以轻松操纵我的字节，以便我可以（1）设置特定的位开或关（true或false），以及（2）检查特定的位是否开或关。

将位设置为1：mask = mask | (1 << bitIndex)
将位设置为0：mask = mask & ~(1 << bitIndex)
获取位（以便检查它）：(mask & (1 << bitIndex)) != 0

所有这些操作都使用左移运算符，它将位从最低有效位置移动到最高有效位置。

- Jashaszun

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实质上，Bitmask 是一个布尔标志列表（例如 isAlive、isMoving 等）压缩成一个单一字段，通常是一个整数。它可以显著减少 JSON 字符串大小或内存占用。

这在 PHP 中尤其重要，因为数组中的单个布尔值可能占用与整数相同的 RAM。有一个非常简单的 Bitmask 指南，它将逐步解释您需要了解的所有内容，包括如何以及何时使用它。

编辑：这里是一个存档链接：https://archive.is/QwCUX，因为原始网站似乎已经关闭。

- Astrus

0

我将尝试解释“掩码”在计算机中应用于除了位数组之外的其他数据结构时的含义，并举几个掩码可能适用的例子。位掩码之所以能够起作用，是因为它们被定义为固定大小或具有预设的0值，因此它们执行AND/OR掩码（请参见@DJanssens的出色答案）。

首先，为了说明这一点，我们来打个比方：从你的脸部照片开始。当你照镜子时（正对着），你看到的是你的脸——你的脸颊、额头、下巴、眼睛等等。

现在你戴上面具（如果你不知道面具可能长什么样子，请搜索“威尼斯半面具”的图片）。

你在镜子里看到了什么？你看到的是面具覆盖住的地方。你的皮肤或下巴或其他未被覆盖的部分不会显示出来。面具遮盖了它所覆盖的内容，但呈现出与基础相同的大小。 好的，现在我们进入计算机领域，我们也可以对许多数据类型进行掩码操作。例如对象、数组、树等等。它们可以通过加法进行操作（添加掩码中缺失的值，或仅在键的交集上进行操作，这意味着如果一个键不在基础中，则忽略任何掩码）。

例如1 对象

Base = 
{
  "A": "baseA",
  "B": "baseB",
}
Mask = 
{
  "A": "maskA",
  "C": "maskC",
}
==> 
{
 "A": "maskA", // Masked / overridden by the mask
 "B": "baseB", // Pass through from base because not masked
 "C": "maskC", // Added because present in the mask (null/undefined in base)
}

例2 数组 假设null是一个哨兵值，而不是有效值

base = ["base1", "base2"]
mask = [null, "mask2", "mask3"]
==> ["base1", "mask2", "mask3"]

例3 树 假设null是一个金丝雀值，而不是有效值

Base = 
  B
 /
A
 \ 
  C
Mask =
        E
       /
      D
     /
null 

Output = 
    E // Added by presence in mask
   /
  D // Override base value because present in mask
 /
A // Passthrough from base because `null` in mask means pass through
 \
  C // pass through because undefined in mask

EG 4 字符串

我的同事告诉我，在计算机中“mask”一词还有另一个关键用途，可应用于字符串，常用于日志。该掩码通常不会被显式地定义为输入值，而更像是一种函数，可以屏蔽敏感数据。

base = "[INFO] user logged in with user=stackoverflow@example.com password=123456"

mask(base) ==> "[INFO] user logged in with user=stackoverflow@example.com password=******"

（有时不匹配掩码长度以隐藏所掩盖的项目的长度）

请查看：https://github.com/gwpmad/mask-deep，这是使用“mask”一词的示例。

- Mike Graf

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- user239558 · Accepted Answer

掩码用于定义您想要保留哪些位和您想要清除哪些位。

掩码操作是将掩码应用于值的过程。这可以通过以下方式完成：

按位与（Bitwise ANDing）以从值中提取一部分位
按位或（Bitwise ORing）以设置值中的一部分位
按位异或（Bitwise XORing）以切换值中的一部分位

以下是一个从值中提取一部分位的示例：

Mask:   00001111b
Value:  01010101b

应用掩码到值上意味着我们想要清除前4位（高位），并保留最后4位（低位）。因此，我们已经提取了低4位。结果是：

Mask:   00001111b
Value:  01010101b
Result: 00000101b

掩码是使用AND实现的，因此在C中我们得到：

uint8_t stuff(...) {
  uint8_t mask = 0x0f;   // 00001111b
  uint8_t value = 0x55;  // 01010101b
  return mask & value;
}

以下是一个相当常见的用例：从一个较大的字中获取单个字节。我们将字中的高位比特定义为第一个字节。我们使用两个运算符来实现这一点，&和>>（向右移位）。以下是如何从32位整数中提取四个字节的方法：

void more_stuff(uint32_t value) {             // Example value: 0x01020304
    uint32_t byte1 = (value >> 24);           // 0x01020304 >> 24 is 0x01 so
                                              // no masking is necessary
    uint32_t byte2 = (value >> 16) & 0xff;    // 0x01020304 >> 16 is 0x0102 so
                                              // we must mask to get 0x02
    uint32_t byte3 = (value >> 8)  & 0xff;    // 0x01020304 >> 8 is 0x010203 so
                                              // we must mask to get 0x03
    uint32_t byte4 = value & 0xff;            // here we only mask, no shifting
                                              // is necessary
    ...
}

请注意，您可以交换上述运算符的顺序，您可以首先进行掩码操作，然后进行移位操作。结果是相同的，但现在您必须使用不同的掩码：

uint32_t byte3 = (value & 0xff00) >> 8;