C++ 中从 24 位到 32 位的有符号扩展

Question

我有 3 个无符号字节分别通过网络传输。

[byte1, byte2, byte3]

我需要将这些转换为有符号的 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 中的前 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？

该表示使用二进制补码。

Answer 1

你可以使用：

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

这是因为：

• 如果旧符号为1，则XOR使其为零，减法将设置它并借用所有较高位，同时设置它们。
• 如果旧符号为0，则XOR将设置它，减法再次将其重置并且不借用，因此高位保持为0。

模板版

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

Answer 2

假设两个表示都是两个补码，简单地说

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

哪里

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

而upper_byte是表示缺少的第四个字节的变量。

转换为Signed_byte是正式依赖于实现的，但实际上两个补码实现没有选择权。

Answer 3

您可以使用位域

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
}

调用简单且没有未定义的行为

int32_t r = sign_extend_to_32<24>(your_3byte_array);

当然， 将字节复制到int32中的高3字节，然后按照您的想法将所有内容移到右侧也是个好主意。 如果您使用上面的memcpy则没有未定义的行为。 另一种方法是使用C ++中的reinterpret_cast和C中的union，这可以避免使用memcpy 。 然而，有一个实现定义的行为，因为右移并不总是符号扩展转换（尽管几乎所有现代编译器都这样做）

Answer 4

您可以让编译器自己处理符号扩展。 假设最低有效字节是byte1而高有效字节是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更多是C ++ ish时，我在这里使用了C样式，但作为一个古老的恐龙（和Java程序员），我发现C样式对于整数转换更具可读性。

Answer 5

这是一个适用于任何位数的方法，即使它不是8的倍数。这假设您已经将3个字节组合成一个整value 。

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

Answer 6

这是一个非常古老的问题，但我最近不得不这样做（在处理24位音频样本时），并为此编写了我自己的解决方案。 它使用与此答案类似的原则，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签名扩展数字的最佳方法。 使用某些宽度，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 。

此函数假定您将N位数字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;