二进制字面量

1. 基本语法

C++14 引入了二进制字面量，允许开发者直接使用二进制数字表示整数，使代码在涉及位操作时更加直观和可读。

下面是基本语法格式：

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int a = 0b101010;        // 二进制前缀 0b, 十进制的 42
int b = 0B11110000;      // 大写 B 也可以

二进制数 0b101010 每一位的权值从右向左依次是 20，21，22,…

二进制数 0B11110000 每一位的权值从右向左依次是 20，21，22,…

我们可以通过代码将指定的二进制数值以十进制的格式进行输出，示例代码如下:

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#include <iostream>
#include <bitset>

int main() 
{
    // 二进制字面量
    int binary1 = 0b1010;       // 十进制 10
    int binary2 = 0b11110000;   // 十进制 240
    int binary3 = 0b100000000;  // 十进制 256
    
    std::cout << "0b1010 = " << binary1 << std::endl;
    std::cout << "0b11110000 = " << binary2 << std::endl;
    std::cout << "0b100000000 = " << binary3 << std::endl;
    
    return 0;
}

2. 其它字面量修饰符

2.1 有符号/无符号

在C++14 中二进制字面量还可以配合有符号/无符号修饰符使用：

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unsigned int a = 0b1010u;      // 无符号
unsigned long b = 0b1010ul;    // 无符号长整型
long long c = 0b1010ll;        // 长长整型
  • u：unsigned
  • ul：unsigned long
  • ll：long long

示例代码：

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#include <iostream>
#include <type_traits>

int main() 
{
    auto x = 0b1010u;      // unsigned int
    auto y = 0b1010ul;     // unsigned long
    auto z = 0b1010ull;    // unsigned long long
    
    std::cout << "Type of 0b1010u: " << typeid(x).name() << std::endl;    // j
    std::cout << "Type of 0b1010ul: " << typeid(y).name() << std::endl;   // m
    std::cout << "Type of 0b1010ull: " << typeid(z).name() << std::endl;  // y
    
    return 0;
}

为了方便查阅，这里列出了一些常见的基础类型对应的字符（对应 typeid(z).name() 输出的结果）：

字符 对应的 C++ 类型
v void
b bool
c char
a signed char
h unsigned char
s short
t unsigned short
i int
j unsigned int
l long
m unsigned long
y unsigned long long
f float
d double
Pi int* (指针类型通常在前面加 P)

2.2 数值分割符

C++14 还引入了数字分隔符 ‘（即单引号），可以与二进制字面量结合使用，这样可以提供可读性（不影响数值）：

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int a = 0b1001'0011'1010'0101;  // 使用单引号 ' 作为分隔符
int b = 0b1111'0000'1100'0011;

示例代码：

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#include <iostream>

int main() 
{
    // 使用分隔符提高可读性
    int mask1 = 0b1111'0000;            // 更容易看出是 F0
    int mask2 = 0b1000'0000'0000'0000;  // 高位掩码
    int flags = 0b0010'0101;            // 多个标志位
    
    std::cout << "掩码1: " << std::hex << mask1 << std::endl;
    std::cout << "掩码2: " << std::hex << mask2 << std::endl;
    std::cout << "标志位: " << std::hex << flags << std::endl;
    
    return 0;
}

数值分割符除了在二进制数据中使用，也可以在其它进制的数值中使用，比如：

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long long bigNumber = 1'000'000'000;     // 长整形, 10进制
double pi = 3.14159'26535'89793;         // 浮点型, 10进制
int hex = 0xFF'FF'FF'FF;                 // 16进制
int binary = 0b1000'0001'1000'0000;      // 2进制
int octal1 = 012'345;                    // 八进制 12345 = 十进制 5349
int octal2 = 07'77'777;                  // 八进制 777777 = 十进制 262143

语法规则总结：

  1. 允许的用法

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    int a = 012'345;      // ✅ 正确：分隔3位数字
    int b = 0'123'456;    // ✅ 正确：分隔任意位置
    int c = 07'654'321;   // ✅ 正确：分隔符提高可读性

  2. 不允许的用法

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    int d = '12345;      // ❌ 错误：不能在第一个数字之前
    int e = 12345';      // ❌ 错误：不能在数字结尾
    int f = 12''345;     // ❌ 错误：不能连续使用分隔符

3. 实际应用场景

3.1 位掩码和标志位

下面的代码中展示了如何使用位标志位（bit flags）来管理文件权限，这是一个非常经典的用法：

  1. 使用二进制字面量：0b001 是 C++14 引入的二进制字面量，清晰易读
  2. 枚举定义：FilePermissions 枚举定义了三个权限标志
  3. 位运算：使用 & 运算符检查是否设置了特定权限位
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#include <iostream>

// 定义标志位
enum FilePermissions 
{
    READ    = 0b001,
    WRITE   = 0b010,
    EXECUTE = 0b100
};

int main() 
{
    // 设置权限
    int user_perms = 0b111;     // 读、写、执行
    int group_perms = 0b101;    // 读、执行
    int other_perms = 0b001;    // 只读
    
    // 检查权限
    if (user_perms & FilePermissions::WRITE) 
    {
        std::cout << "用户有写权限" << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

3.2 颜色处理

下面的代码中展示了 位运算 在颜色处理中的经典应用，主要目的是将ARGB（Alpha, Red, Green, Blue）四个8位分量打包成一个32位整数。

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#include <iostream>
#include <iomanip>

// ARGB 颜色格式
struct Color 
{
    unsigned int argb;
    
    Color(unsigned char a, unsigned char r, 
          unsigned char g, unsigned char b) 
    {
        argb = (a << 24) | (r << 16) | (g << 8) | b;
    }
    
    // 提取Alpha分量
    unsigned char getAlpha() const 
    {
        return (argb & ALPHA_MASK) >> 24;
        // 或者更简单：return argb >> 24;
    }

    // 提取Red分量
    unsigned char getRed() const 
    {
        return (argb & RED_MASK) >> 16;
    }
    
    void print() const 
    {
        std::cout << "ARGB: 0x" << std::hex << std::setfill('0') 
                  << std::setw(8) << argb << std::endl;
    }
};

int main() 
{
    // 使用二进制字面量定义颜色掩码
    constexpr unsigned int ALPHA_MASK = 0b1111'1111'0000'0000'0000'0000'0000'0000;
    constexpr unsigned int RED_MASK   = 0b0000'0000'1111'1111'0000'0000'0000'0000;
    constexpr unsigned int GREEN_MASK = 0b0000'0000'0000'0000'1111'1111'0000'0000;
    constexpr unsigned int BLUE_MASK  = 0b0000'0000'0000'0000'0000'0000'1111'1111;
    
    Color red(255, 255, 0, 0);
    red.print();
    
    return 0;
}

关于Color 结构体的成员：

  • A (Alpha)：透明度（0-255，0完全透明，255完全不透明）
  • R (Red)：红色分量
  • G (Green)：绿色分量
  • B (Blue)：蓝色分量
  • 每个分量都是8位（0-255），总共32位

构造函数 - 位运算打包:

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argb = (a << 24) | (r << 16) | (g << 8) | b;

内存布局（32位 = 4字节）：

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字节3     字节2     字节1     字节0
[Alpha]   [Red]    [Green]  [Blue]
0xFF      0xFF     0x00     0x00  // 红色不透明

位运算分解：

  • a << 24：Alpha值左移24位 → 占据最高8位（位31-24）
  • r << 16：Red值左移16位 → 占据次高8位（位23-16）
  • g << 8：Green值左移8位 → 占据中间8位（位15-8）
  • b：Blue值不移动 → 占据最低8位（位7-0）
  • |（按位或）：将四个部分合并

掩码定义：二进制字面量

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constexpr unsigned int ALPHA_MASK = 0b1111'1111'0000'0000'0000'0000'0000'0000;
  • 0b前缀：C++14引入的二进制字面量
  • '分隔符：提高可读性（每8位一组）
  • 常量表达式：constexpr 编译期常量
  • ALPHA_MASK：0xFF000000（提取Alpha分量）
  • RED_MASK：0x00FF0000（提取Red分量）
  • 可用于提取颜色分量：alpha = (argb & ALPHA_MASK) >> 24

4. 总结

综上所述，关于C++14 的二进制字面量的特性可以做如下总结：

  • 提高代码可读性：在位操作场景中更直观
  • 配合分隔符：' 分隔符使长二进制数更易读
  • 编译时友好：支持编译时计算和常量表达式
  • 类型灵活：可与各种整数类型修饰符结合使用

在进行项目开发是时候可以灵活使用，这个特性特别适合如下应用场景：

  • 嵌入式开发（寄存器操作）
  • 网络编程（协议标志位）
  • 图形编程（颜色处理）
  • 加密算法（位操作密集）
  • 系统编程（权限控制）