C++ 中从 24 位到 32 位的签名扩展

Question

我有 3 个无符号字节分别通过网络传输。

[byte1, byte2, byte3]

我需要将它们转换为带符号的 32 位值，但我不太确定如何处理负值的符号。

我想将字节复制到 int32 中的高 3 个字节，然后将所有内容向右移动，但我读到这可能会出现意外行为。

有没有更简单的方法来处理这个问题？

用二进制补码表示。

Answer 1

假设两种表示都是二进制补码，简单地

upper_byte = (Signed_byte(incoming_msb) >= 0? 0 : Byte(-1));

哪里

using Signed_byte = signed char;
using Byte = unsigned char;

和upper_byte是一个变量，表示缺少的第四个字节。

到 Signed_byte 的转换在形式上取决于实现，但二进制补码实现并没有选择，真的。

Answer 2

您可以使用 bitfield

template<size_t L>
inline int32_t sign_extend_to_32(const char *x)
{
  struct {int32_t i: L;} s;
  memcpy(&s, x, 3);
  return s.i;
  // or
  return s.i = (x[2] << 16) | (x[1] << 8) | x[0]; // assume little endian
}

简单且没有调用未定义的行为

int32_t r = sign_extend_to_32<24>(your_3byte_array);

当然将字节复制到 int32 的高 3 字节，然后将所有内容向右移动也是一个好主意。如果您像上面那样使用 memcpy ，则没有未定义的行为。另一种方法是 C++ 中的 reinterpret_cast 和 C 中的 union，可以避免使用 memcpy。但是有一个 implementation defined behavior 因为右移并不总是符号扩展移位（尽管几乎所有现代编译器都这样做）

Answer 3

您可以让编译器自行处理符号扩展。假设最低有效字节为byte1，高有效字节为byte3；

int val = (signed char) byte3;                // C guarantees the sign extension
val << 16;                                    // shift the byte at its definitive place
val |= ((int) (unsigned char) byte2) << 8;    // place the second byte
val |= ((int) (unsigned char) byte1;          // and the least significant one

当 static_cast 更像 C++ 时，我在这里使用了 C 风格转换，但作为一个老恐龙（和 Java 程序员）我发现 C 风格转换对于整数更具可读性转换。

Answer 4

这是一种适用于任何位数的方法，即使它不是 8 的倍数。这里假设您已经将 3 个字节组装成一个整数 value。

const int bits = 24;
int mask = (1 << bits) - 1;
bool is_negative = (value & ~(mask >> 1)) != 0;
value |= -is_negative & ~mask;

Answer 5

您可以使用：

uint32_t sign_extend_24_32(uint32_t x) {
    const int bits = 24;
    uint32_t m = 1u << (bits - 1);
    return (x ^ m) - m;
}

之所以有效，是因为：

如果旧符号为 1，则 XOR 将其变为零，减法将设置它并借用所有更高位，同时设置它们。
如果旧符号为 0，则 XOR 将设置它，减法再次重置它并且不借位，因此高位保持为 0。

模板化版本

template<class T>
T sign_extend(T x, const int bits) {
    T m = 1;
    m <<= bits - 1;
    return (x ^ m) - m;
}

Answer 6

这是一个很老的问题，但我最近不得不做同样的事情（在处理 24 位音频样本时），并为此编写了我自己的解决方案。它使用与答案类似的原理，但更通用，并且可能在编译后生成更好的代码。

template <size_t Bits, typename T>
inline constexpr T sign_extend(const T& v) noexcept {
    static_assert(std::is_integral<T>::value, "T is not integral");
    static_assert((sizeof(T) * 8u) >= Bits, "T is smaller than the specified width");
    if constexpr ((sizeof(T) * 8u) == Bits) return v;
    else {
        using S = struct { signed Val : Bits; };
        return reinterpret_cast<const S*>(&v)->Val;
    }
}

这没有硬编码数学，它只是让编译器完成工作并找出对数字进行符号扩展的最佳方法。对于某些宽度，这甚至可以在程序集中生成本机符号扩展指令，例如 x86 上的 MOVSX。

此函数假定您已将 N 位数复制到要将其扩展到的类型的低 N 位。例如：

int16_t a = -42;
int32_t b{};
memcpy(&b, &a, sizeof(a));
b = sign_extend<16>(b);

当然它适用于任意数量的位，将其扩展到包含数据的类型的整个宽度。

Answer 7

假设您的 24 位值存储在变量 int32_t val 中，您可以通过以下方式轻松扩展符号：

val = (val << 8) >> 8;

C++ 中从 24 位到 32 位的签名扩展

Signed extension from 24 bit to 32 bit in C++

c++

bit-manipulation

bit-shift

sign-extension