C++のbitset（ビットセット）に関する興味深い事実

C++の標準テンプレートライブラリ（STL）には、bitsetというコンテナが定義されています。bitsetは、変数の各ビット（0と1）単位で直接操作を行うためのコンテナで、値をバイナリ表現として扱いたい場面で活躍します。ここでは、bitsetについて知っておくと便利な特徴を3つ紹介します。

1. bitsetは文字列のように扱える

bitsetは、0と1のみを有効な値とするビットのコンテナです。開始インデックスと要素数を指定すれば、既存のbitsetの一部を使って新しいbitsetを作成し、末尾に連結することもできます。

たとえば、ビット列「01001110」のインデックス2から4要素を取り出すと「0011」が得られ、これをbitsetの末尾に追加します。この方法で定義される8ビットのbitsetの値は「00000011」になります。

コード例

#include <bitset>
#include <string>
#include <iostream>
int main() {
    std::string bit_string = "10010110";
    std::bitset<8> b1(bit_string, 1, 4);
    std::cout << b1 << '\n';
    return 0;
}

出力結果

00000010

2. 文字列からbitsetを構築する

0と1以外の文字でも、2種類の文字だけで構成された文字列なら、bitsetに変換できます。どの文字を0、どの文字を1として解釈するかを指定できるのがポイントです。

たとえば「xyxxyyx」という文字列があるとき、x=0、y=1と対応付ければ、同じ長さのbitset「0100110」を作成できます。

この処理には、次のようなコンストラクタが用意されています。

bitset(str, offSet, size, zeroVal, oneVal);

各パラメータの意味は以下の通りです。

• str：bitsetの作成元となる文字列
• offSet：文字列の読み込み開始位置（インデックス）
• size：作成するbitsetのサイズ
• zeroVal：0として扱う文字
• oneVal：1として扱う文字

コード例

#include <bitset>
#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    string bitstr = "xyxxyyyx";
    bitset<8> bits(bitstr, 0, bitstr.size(), 'x', 'y');
    cout << "bitsetの値 : " << bits << '\n';
}

出力結果

bitsetの値 : 01001110

3. bitsetを文字列に変換する

bitsetには、bitsetを文字列へ変換するためのto_string()関数が用意されています。生成される文字列の長さはbitsetの長さと同一で、要素の並び順もbitsetと同じです。つまり、bitsetの先頭の要素が文字列の先頭の文字になります。

たとえば、bitset「01010100」を文字列に変換すると「01010100」が得られます。

さらに、引数で任意の2文字を指定すれば、0と1を別の文字に置き換えて出力することも可能です。これは、文字列からbitsetを構築する処理のちょうど逆にあたります。

コード例

#include <iostream>
#include <bitset>
using namespace std;
int main() {
    bitset<8> b(19);
    cout << "bitsetの値 : " << b << endl;
    cout << "bitsetの文字列変換結果 : " << b.to_string() << endl;
    cout << "0をT、1をPに置き換えた文字列変換結果 : ";
    cout << b.to_string('T', 'P') << endl;
}

出力結果

bitsetの値 : 00010011
bitsetの文字列変換結果 : 00010011
0をT、1をPに置き換えた文字列変換結果 : TTTPTTPP

bitsetには、ここで紹介した以外にもさまざまな操作が用意されており、AND・OR・XORなどのビット演算子もそのまま利用できます。まずは本記事で紹介した基本機能と性質をしっかり押さえておくとよいでしょう。