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有没有内置函数可以反转位顺序？

c#.netbitwise-operators
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我想出了几种手动的方法来实现这个操作，但是我一直在想是否有.NET内置的东西可以做到这一点。

基本上，我想要反转字节中的位顺序，使得最不重要的位变成最重要的位。

例如： 1001 1101 = 9D 将变成 1011 1001 = B9

其中一种方法是使用位运算符，如果按照以下伪代码进行操作：

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

我想知道是否有一个函数可以让我用一个单行完成所有这些操作。另外，你知道这种操作的术语吗？我相信会有一个术语，但我现在想不起来了。

谢谢

出于好奇，为什么要这样做？你在哪里会使用这样的东西？但是你可能会在这里找到解决方案：http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html - CaffGeek
3
我一直想知道为什么 BitConverter 或 BitArray 类没有更多这样的方法，以便 JIT 编译器可以将其映射到本地机器指令。计算设置位数是另一个例子。 - Brian Gideon
5
@Chad：在智能卡通信中，这是一种自然产生的情况。一些陈旧的智能卡期望以反向顺序传输 I/O 位，因此读卡器必须要翻转这些位。这只是一个例子。 - TonyK
你的伪代码有各种问题。 - Kef Schecter
@CaffGeek，我刚遇到了一个需要这样做的地方... VNC DES认证需要获取密钥字节并镜像8字节密钥中每个字节内部的位。 简直疯了。 - David Hoelzer
8个回答
56

我决定做一些反转方法的性能测试。

利用Chad提供的链接，我写了以下几种方法：

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;
}

然后我进行了测试，以下是测试结果:

测试特点:

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

目标框架为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        |
-----------------------------------------------------

因此，查找表方法并不总是最快的 :)

这是很合理的，因为内存访问比CPU寄存器访问慢，所以如果某种方法被编译和优化得足够好以避免内存访问（并进行少量操作），它会更快。 （无论如何，CPU内存缓存极大地缩小了差距）

在x64或x86模式下看到不同的行为方式以及3.5和4.0框架执行不同的优化也很有趣。

哇，非常有趣。虽然我希望找到一种自动化的方法来完成它，但我认为我会使用你的7个操作来提高性能。我只做了两年，没有太多考虑性能方面。现在或许是开始思考的好时机 :) - Roast
什么类型的CPU以及速度有多快？ - dbasnett
你肯定包含了除反转位代码以外的东西。在我的2.5GHz上，未展开循环执行100,000,000次仅需< 300,000个滴答（W7，.Net 4.0）。 - dbasnett
2
@dbasnett：我的目的不是展示解决问题所花费的时间，而是在不同算法之间进行比较。无论如何，为了测试它，我创建了一个包含10万个随机条目的数组，然后对每种反转方法进行循环读取。 - digEmAll
1
@digEmAll 在测量之前，您是否已经调用了每个方法一次，以确保您不会测量JIT编译时间？ - Oskar Berggren
15

不，BCL中没有这方面的内容。

但是，假设你想要更快的解决方案：

  • 由于只有8位，展开循环（使用4个语句代替for循环）效果更佳。

  • 对于更快的解决方案，请创建一个256项查找表。

当然，你可以将两种方法都封装在一个函数中，以便使用时只需1个语句。

我在这个页面找到了这个问题的解决方案。

1
查找表解决方案在这种问题中非常常见。它们非常适用于小型原始类型（如byte或short）的操作，但是对于较大的类型（如int或long），它们无法扩展。 - LBushkin
3
虽然通常情况下不能说它们可以按比例扩展，但在这种情况下，您可以重复使用查找表来翻转较大类型的各个字节。 - Matti Virkkunen
如果您感兴趣的话，我添加了一个带有一些性能测试的答案 ;) - digEmAll
谢谢建议，我还没有考虑过性能问题。+1 - Roast
6
使用@Chads链接
byte b; 
b = 0x9D;
b = (byte)((b * 0x0202020202 & 0x010884422010) % 1023);

编辑：忘记了演员阵容

5
你可以循环遍历位并按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;
}
3
只提供代码的回答并不被鼓励，因为它们对未来的读者提供的信息不多，请在您编写的代码中提供一些解释。 - WhatsThePoint
4
您可以在fxtbook中找到位操作算法。第1.14章节提供了以下位交换算法：
    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);
    }

使您的字节值位反转：
这将使您的字节值按位反转：
    public static byte swapBits(byte value) {
        return (byte)(bitSwap4(bitSwap2(bitSwap1(value))));
    }

x86 JIT编译器在优化此代码方面并不出色。如果速度很重要，您可以使用它来初始化一个byte[]，使其成为快速查找。

1
有用的描述：bitSwap1将每个位与其相邻的位反转，因此如果我们将位（第一个字节的）编号为87654321，则调用bitSwap1后，我们将从8-7'6-5'4-3'2-1到7-8'5-6'3-4'1-2。 bitSwap2也是这样做，但是是成对的相邻位，所以继续我们将从78-56'34-12到56-78'12-34。最后，bitSwap4在四对中进行交换，因此从5678-1234，我们将得到1234-5678。（要交换整个uint，您还需要使用bitSwap8和bitSwap16。） - AnorZaken
3
请查看这个全面的位操作技巧，特别是你想要的“用3个操作反转字节中的位（使用64位乘法和模除运算）”。
int lVal = 0x9D;
int lNewVal = (int)((((ulong)lVal * 0x0202020202UL) & 0x010884422010UL) % 1023);
System.Diagnostics.Debug.WriteLine(string.Format("{0:X2}", lNewVal));

当你运行这个程序时，你会发现该值被反转为0xB9。
1
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;
}
0

十年后。但我希望这能帮助到某个人。我做了一个类似于这样的反向操作：

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

    return reverse;
}
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可以查看英文原文，
原文链接