单片机工程师眼中每个bit都很贵~-程序员充电站

正文

大家好，我是bug菌~

如今嵌入式软件按照平台来分主要是两大派系，玩单片机和玩嵌入式Linux，相对而言单片机这块的资源更是不够用，当然现在很多单片机的主频贼高，内存贼大，资源贼丰富，那我还要考虑资源受限的问题吗？

需要的，在成本面前没有最低，只有更低，当技术壁垒一旦被打破，拼的就是成本，多少公司的产品可以做得跟主流厂家一模一样，但就是成本压不下来，导致报价偏高，常常丢标。

那么在单片机开发中，内存是极其宝贵的资源，一些8位单片机可能只有几KB的RAM，当然有时候flash也比较少，但绝大多数情况都没有RAM那么稀缺，如何高效利用每一个bit都是工程师们必须面对的挑战。

那么今天bug菌就介绍下位数组小技巧，从而更加紧凑地存储和操作布尔值，管理大量布尔状态、标志位或设备状态的场景还是比较好用的。

bit数组

简单点就是定义一个数组，通过制作一些接口可以便捷的操作所定义数组中每个bit，很多朋友在项目中也是这么用的，但可能没有封装，整理一下或许以后更加方便。

1. 数据结构定义

#ifndef BIT_ARRAY_H #define BIT_ARRAY_H #include <stdint.h> #include <stdbool.h> // 位数组结构体 typedefstruct { uint8_t *data; // 存储数据的字节数组 uint32_t bit_count; // 总位数 uint32_t byte_size; // 需要的字节数 } BitArray; // 错误码 typedefenum { BITARRAY_OK = 0, BITARRAY_ERROR_INVALID_INDEX, BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER, BITARRAY_ERROR_INVALID_SIZE } BitArrayError; #endif

这里的*data就是指针指向一篇连续的内存，通常是用后面初始化函数传入的buffer数组，bit_count和byte_size都是标识*data所指向的内存有多大。bitArrayError是一些防御性编程的枚举数值。

2. 基础操作宏

// 计算存储指定位数所需的字节数 #define BITARRAY_BYTES_NEEDED(bits) (((bits) + 7) / 8) // 获取位索引所在的字节位置 #define BITARRAY_BYTE_INDEX(bit_index) ((bit_index) >> 3) // 获取位在字节内的位置（0-7） #define BITARRAY_BIT_POS(bit_index) ((bit_index) & 0x07) // 创建位掩码 #define BITARRAY_BIT_MASK(bit_index) (1U << BITARRAY_BIT_POS(bit_index))

这里是一些基础的宏，为了后面封装函数，不至于晦涩难懂。其实都是一个常规的操作，也比较经典，如果觉得看起来有点吃力，那还得多敲敲代码了，记得都是按照1个byte对应8bit来处理的。

3. 实现

下面是相对比较完整的实现，大家也可以根据自己的项目进行调整和要优化，比如注意在具体平台的大小端问题，线程安全问题等等。

// bitarray.c #include "bitarray.h" /** * @brief 初始化位数组 * @param array 位数组指针 * @param buffer 存储缓冲区 * @param buffer_size 缓冲区大小（字节） * @param bit_count 需要的总位数 * @return 初始化结果 */ BitArrayError bitarray_init(BitArray *array, uint8_t *buffer, uint32_t buffer_size, uint32_t bit_count) { if (!array || !buffer) { return BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER; } uint32_t required_bytes = BITARRAY_BYTES_NEEDED(bit_count); if (buffer_size < required_bytes) { return BITARRAY_ERROR_INVALID_SIZE; } if (bit_count == 0) { return BITARRAY_ERROR_INVALID_SIZE; } array->data = buffer; array->bit_count = bit_count; array->byte_size = required_bytes; // 清零所有位 bitarray_clear_all(array); return BITARRAY_OK; } /** * @brief 设置指定位为1 * @param array 位数组指针 * @param bit_index 位索引（0 ~ bit_count-1） * @return 操作结果 */ BitArrayError bitarray_set(BitArray *array, uint32_t bit_index) { if (!array) return BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER; if (bit_index >= array->bit_count) return BITARRAY_ERROR_INVALID_INDEX; uint32_t byte_idx = BITARRAY_BYTE_INDEX(bit_index); uint8_t bit_mask = BITARRAY_BIT_MASK(bit_index); array->data[byte_idx] |= bit_mask; return BITARRAY_OK; } /** * @brief 清除指定位（设为0） * @param array 位数组指针 * @param bit_index 位索引 * @return 操作结果 */ BitArrayError bitarray_clear(BitArray *array, uint32_t bit_index) { if (!array) return BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER; if (bit_index >= array->bit_count) return BITARRAY_ERROR_INVALID_INDEX; uint32_t byte_idx = BITARRAY_BYTE_INDEX(bit_index); uint8_t bit_mask = BITARRAY_BIT_MASK(bit_index); array->data[byte_idx] &= ~bit_mask; return BITARRAY_OK; } /** * @brief 获取指定位的值 * @param array 位数组指针 * @param bit_index 位索引 * @param value 存储位值的指针 * @return 操作结果 */ BitArrayError bitarray_get(const BitArray *array, uint32_t bit_index, bool *value) { if (!array || !value) return BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER; if (bit_index >= array->bit_count) return BITARRAY_ERROR_INVALID_INDEX; uint32_t byte_idx = BITARRAY_BYTE_INDEX(bit_index); uint8_t bit_mask = BITARRAY_BIT_MASK(bit_index); *value = (array->data[byte_idx] & bit_mask) != 0; return BITARRAY_OK; } /** * @brief 切换指定位（0变1，1变0） * @param array 位数组指针 * @param bit_index 位索引 * @return 操作结果 */ BitArrayError bitarray_toggle(BitArray *array, uint32_t bit_index) { if (!array) return BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER; if (bit_index >= array->bit_count) return BITARRAY_ERROR_INVALID_INDEX; uint32_t byte_idx = BITARRAY_BYTE_INDEX(bit_index); uint8_t bit_mask = BITARRAY_BIT_MASK(bit_index); array->data[byte_idx] ^= bit_mask; return BITARRAY_OK; } /** * @brief 设置所有位为1 * @param array 位数组指针 * @return 操作结果 */ BitArrayError bitarray_set_all(BitArray *array) { if (!array) return BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER; for (uint32_t i = 0; i < array->byte_size; i++) { array->data[i] = 0xFF; } // 清除多余的位（如果总位数不是8的倍数） uint32_t extra_bits = array->bit_count & 0x07; if (extra_bits > 0) { uint8_t mask = (1U << extra_bits) - 1; array->data[array->byte_size - 1] &= mask; } return BITARRAY_OK; } /** * @brief 清除所有位为0 * @param array 位数组指针 * @return 操作结果 */ BitArrayError bitarray_clear_all(BitArray *array) { if (!array) return BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER; for (uint32_t i = 0; i < array->byte_size; i++) { array->data[i] = 0x00; } return BITARRAY_OK; } /** * @brief 检查所有位是否都为0 * @param array 位数组指针 * @param is_empty 存储结果的指针 * @return 操作结果 */ BitArrayError bitarray_is_empty(const BitArray *array, bool *is_empty) { if (!array || !is_empty) return BITARRAY_ERROR_NULL_POINTER; for (uint32_t i = 0; i < array->byte_size; i++) { if (array->data[i] != 0) { *is_empty = false; return BITARRAY_OK; } } *is_empty = true; return BITARRAY_OK; }

最后

好了，今天就跟大家分享这么多了，如果你觉得有所收获，一定记得点个赞~

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