Opérations bit à bit

Les bases de numérations

La base que l'on utilise tout le temps pour compter, c'est la base 10 que l'on appelle décimale (qui comprend les chiffres 0,1, 2,3,4,5,6,7,8,9). Mais il existe d'autres tel que l'hexadécimal (base 16), le binaire (base 2), l'octal (base 8) et bien d'autres.

Base quelconque vers décimal

Pour convertir un nombre d'une base quelconque vers le décimal (base 10) on peut appliquer la formule (que l'on répète pour chaque chiffre)

$$ a_n B^n $$

$n$ est le numéro de la position du chiffre dans le nombre (unité → 0, dizaines → 1, centaines → 2, dixièmes → -1, centièmes → -2)
$a_n$ correspond à la valeur du chiffre en position $n$ du chiffre dans sa base d'origine
$B$ est la base (exemple hexadécimal → 16)

Par exemple, pour convertir le nombre CAFE (hexadécimal) en décimal, on peut faire

$$ CAFE_16 = 12 * 16^3 + 10 * 16^2 + 15 * 16^2 + 14 * 16^0 = 51866_10 $$

Décimal vers binaire (ou autre base)

Pour convertir le décimal en binaire, on peut utiliser le resserrement d'intervalle, mais qui plus simplement peut consister à écrire le nombre sur sa calculatrice, puis EXE, ÷R, 2. Ensuite on peut appuyer sur EXE et à chaque fois noter le nombre en "R" (reste) qui correspond aux chiffres binaires de droite à gauche. Mais il en va aussi pour convertir vers d'autres bases que le binaire.

Par exemple, si je veux transformer 42 en binaire :

Ans = 42          (42 EXE)
Ans ÷R 2          (÷R 2 EXE)
R=0               (EXE)
R=1               (EXE)
R=0               (EXE)
R=1               (EXE)
R=0               (EXE)
R=1               (EXE)
0

Donc si on remet le nombre à l'endroit (donc de haut en bas) ça donne 101010 qui correspond à $2^5+2^3+2^1 = 32+8+2 = 42$

Binaire vers hexadécimal (ou autre base de puissance de 2)

Convertir du binaire en hexadécimal (ou toute autre base en puissance de 2), il suffit d'aligner le binaire et l'hexadécimal et de répartir les bits autrement.

Donc si on veut convertir 101010 en hexadécimal, il faut trouver le nombre de bits (chiffre binaire) auquel un nombre hexadécimal correspond, soit 4, car $\sqrt{16} = 4$. On va donc diviser le nombre en groupe de 4 en partant de la droite (bit de poids faible → de plus petite valeur, l'inverse est appelé bit de poids fort)

10 1010

Ensuite on peut compléter à gauche avec des 0

0010 1010

Enfin on peut convertir chaque bloc en chiffre hexadécimal :

BIN 0010 1010
DEC    2   10
HEX    2    A

Donc le nombre hexadécimal final est 2A, qui correspond exactement à 101010 en binaire, soit 42 en décimal.

Opérations bit à bit (bitwise)

Une opération bit à bit est une opération qui manipule les représentations binaires des données.

Il existe 2 catégories d'opérations, les opérations logiques (NOT AND OR et XOR) et les opérations de décalage (shift left, shift right)

Les opérations logiques vont être effectuées sur chaque bit, par exemple :

a   10101011
b   11001101
    ↓↓↓↓↓↓↓↓ l'opération AND est effectuée sur chaque bit
a&b 10001001

Pour voir comment fonctionne les autres connecteurs logiques, voir sur cette synthèse du Q1

Mais en résumé voici :

a	b	~a (NOT)	a & b (AND)	a \| b (OR)	a ^ b (XOR)
0	0	1	0	0	0
0	1	1	0	1	1
1	0	0	0	1	1
1	1	0	1	1	0

Pour ce qui est des opérations de décalages :

Dans un décalage à gauche (<<), on supprime le premier bit (le poids fort) et on ajoute un 0 à la fin (poids faible)
Dans un décalage à droite signé (ou arithmétique) (>>), on ajoute un 1 en premier (bit de poids fort) et on supprime le dernier bit (poids faible)
Dans un décalage à droite non signé (>>>), on fait la même chose que pour le signer sauf que c'est un 0 qu'on ajoute à la place du 1

Donc si on fait un >>> 2 on doit faire un décalage à droite non signé 2 fois de suite. Par exemple pour faire 42 >>> 2, on doit convertir 42 en binaire 101010 puis ajouter 2 0 au début et supprimer les 2 derniers 001010 puis reconvertir en décimal.

      42 >>> 2
= 101010 >>> 2
= 001010 
= 10

Les masques binaires

Les opérateurs sont souvent utilisés avec des "masques" les masques sont des successions binaires destinées à indiquer la position du/des bit(s) concernés par une certaine opération. On peut donc appliquer une opération sur une certaine partie de bits uniquement.

Les 2 masques les plus simples sont les masques qui utilisent des 1 pour signifier les positions particulières telles que 1000 pour spécifier la 3e position (les positions commencent par 0), un tel masque peut être généré avec le décalage 1 << 3

L'autre type sont les masques inversés qui utilisent des 0 pour signifier les positions telles que 0111 pour spécifier la 3e position, un tel masque peut être généré en inversant le précédent ~(1 << 3)

Les masques sont généralement désignés par leur valeur hexadécimale, donc 1000 sera appelé 0x8 et 0111 sera appelé 0x9

Extraire une information

Pour un exemple plus concret, disons que l'on a une couleur RGB. Une couleur RGB sur 32 bits où les octets (soit 8 bits chacun) représentent respectivement rouge, vert et bleu.

0x F66FFF 
0b 11110110 01101111 11111111

Si on veut uniquement avoir le vert (soit les 8 bits du milieu, on peut d'abord utiliser un décalage à droite pour éliminer le bleu (la couleur de droite)

11110110 01101111 11111111 >> 8
=        11110110 01101111

Ensuite on peut utiliser un masque pour garder seulement les 8 premiers bits de poids faible (donc le vert). On veut donc avoir le masque 11111111 qui peut être représenté comme étant 0xFF. Enfin, on peut extraire la couleur verte en faisant un opérateur AND entre notre couleur décalée et notre masque

11110110 01101111
&        11111111
         ↓↓↓↓↓↓↓↓
=        01101111

On sait donc que la couleur verte a une valeur binaire de 01101111, soit une valeur hexadécimale de 6F soit une valeur décimale de 111.

Pour faire tout ce qui est décrit plus tôt en Java :

int color = 0xF66FFF;
int mask = 0xFF;
int greenValue = (color >> 8) & mask; // donnera 0x6F
//               ^            ^ Ajout du masque pour uniquement avoir les 8 derniers bits (vert)
//               ^ Suppression des 8 derniers bits (bleu)

Remplacer une information

On peut aussi utiliser les masque pour remplacer une information à une certaine position. Si on veut remplacer la couleur verte sans changer la couleur rouge ou bleu par exemple. Disons que l'on veut que la valeur de vert soit 0x45

Pour cela, il va falloir reprendre notre nombre de départ.

0x F66FFF 
0b 11110110 01101111 11111111

Puis on peut appliquer le masque 11111111 00000000 11111111 (0xFF00FF) pour faire en sorte que seul la couleur verte soit à 0. En utilisant l'opérateur AND on peut donc mettre le vert à 0.

  11110110 01101111 11111111
& 11111111 00000000 11111111
  ↓↓↓↓↓↓↓↓ ↓↓↓↓↓↓↓↓ ↓↓↓↓↓↓↓↓
= 11110110 00000000 11111111

Ensuite on peut prendre notre nouveau vert 0x45 et le décaler pour qu'il soit à la même place que le vert dans la couleur de base

           01000101 << 8
= 01000101 00000000

Enfin on peut combiner les deux avec un OR

11110110 00000000 11111111
|        01000101 00000000
         ↓↓↓↓↓↓↓↓ ↓↓↓↓↓↓↓↓
=        01000101 11111111

Pour faire la même chose que tout ça en Java :

int color = 0xF66FFF; // Couleur de départ
int greenValue = 0x45; // Nouvelle valeur de vert à écrire
int mask = 0xFF00FF; // Masque pour remettre le vert d'origine à 0
int newColor = (color & mask) | (greenValue << 8)
//             ^              ^ ^ Décalage du vert au bon endroit
//             ^              ^ Ajout du vert
//             ^ Suppression du vert dans la couleur d'origine

Tester la valeur / égalité de 2 choses

Si on veut savoir si les bits 8 et 9 du nombre de départs valent 1, on peut créer un masque 11 00000000 (0x300) et l'appliquer avec.

int color = 0xF66FFF;
int mask  = 0x300;
boolean isEqual = (color & mask) == mask
// isEqual is True