Bitset

В этом задании необходимо реализовать структуру данных, представляющую собой последовательность бит, с поддержкой итерирования по ним, а также побитовых операций.

Основные особенности

• Размер известен в момент конструирования и далее не меняется (кроме как через присваивающие операторы и сдвиги).
• Компактность: количество памяти, используемое под bitset, не должно превышать size + C бит, где size — количество хранимых битов, а C — какая-то константа, не зависящая от size.
• Об исключениях и гарантиях, связанных с ними, в этом задании можно не задумываться.
• Поддержка семантики перемещения не требуется.

Вспомогательные классы

Помимо непосредственно класса bitset, вам понадобится реализовать:

Итераторы

В качестве категории стоит выбрать random-access.

Для итераторов не нужно реализовывать operator-> (всё равно он не имеет смысла для bool). При этом type member pointer у итератора можно оставить равным void.

Из-за этих упрощений получившийся итератор, вероятно, не будет строго удовлетворять требованиям LegacyForwardIterator, однако будет удовлетворять требованиям итераторов нового образца (forward_iterator) из C++20.

Представления (views)

View — это легковесный объект, который ссылается на какой-то диапазон значений (не владея им), и по которому можно итерироваться. Часто он может быть представлен парой итераторов.

View для битсета интересен тем, что над ним тоже может иметь смысл проводить некоторые операции, в том числе побитовые. Для создания view используется bitset::subview(offset, count) или конструкторы view.

Прокси-объекты для эмуляции ссылок

Поскольку биты хранятся упакованно, возникают проблемы с тем, что возвращать из bitset::operator[]. Несложно понять, что с учётом этого требования это не сможет быть bool &.

Для решения этой проблемы предлагается в качестве bitset::reference использовать вспомогательный класс, который поддерживает следующие операции:

• bs[i] — неявно приводится к bool;
• bs[i] = false — оператор присваивания от bool для изменения бита на заданное значение;
• bs[i].flip() — инвертировать значение бита на обратное (для неконстантной ссылки).

Обратите внимание, что поддержка &bs[i] не требуется, что даёт некоторую свободу для выбора типов для reference и const_reference.

Методы bitset

Конструкторы

• bitset() — пустая последовательность битов;
• bitset(std::size_t size, bool value) — size битов, каждый из которых равен value;
• bitset(const bitset& other) — конструктор копирования;
• bitset(std::string_view str) — на основе строки, состоящей из символов '0' и '1';
• bitset(const const_view& other) — копия переданного view;
• bitset(const_iterator start, const_iterator end) — копия последовательности битов заданной двумя итераторами.

Операторы присваивания

• operator=(const bitset& other) — оператор копирующего присваивания;
• operator=(std::string_view other) — см. аналогичный конструктор;
• operator=(const const_view& other) — см. аналогичный конструктор.

Изменяющие операции

• operator&=(const const_view& other) — применить к каждому биту побитовое "и", где в качестве второго операнда служит соответствующий бит из other;
• operator|=(const const_view& other) — аналогично operator&=, но с побитовым "или";
• operator^=(const const_view& other) — аналогично operator&=, но с побитовым "xor";
• operator<<=(std::size_t count) — битовый сдвиг влево на count;
• operator>>=(std::size_t count) — битовый сдвиг вправо на count;
• flip() — инвертировать все биты;
• set() — установить все биты в 1;
• reset() — установить все биты в 0.

Побитовые операции

• bitset operator&(const bitset& lhs, const bitset& rhs) — побитовое "и";
• bitset operator|(const bitset& lhs, const bitset& rhs) — побитовое "или";
• bitset operator^(const bitset& lhs, const bitset& rhs) — побитовый "xor";
• bitset operator~(const bitset& bs) — побитовая инверсия;
• bitset operator<<(const bitset& bs, std::size_t count) — битовый сдвиг влево bs на count;
• bitset operator>>(const bitset& bs, std::size_t count) — битовый сдвиг вправо bs на count.

Здесь и в предыдущем пункте для побитовых операций над двумя bitset-ами поведение определено лишь при равенстве их размеров.

Операции для доступа к элементам

• reference operator[](std::size_t index) — возвращает прокси-объект на бит с индексом index (отсчитывая от старшего);
• begin(), end() — итераторы на первый бит и на бит после последнего соответственно;
• bool all() — правда ли, что все биты равны 1;
• bool any() — правда ли, что хотя бы один бит равен 1;
• std::size_t count() — количество битов, равных 1;
• operator==, operator!= — сравнение на равенство.

Прочие методы

• void swap(bitset& other) — поменять местами состояния текущего bitset и other;
• std::size_t size() — текущее количество хранимых битов;
• bool empty() — пустой ли это bitset;
• subview(std::size_t offset = 0, std::size_t count = npos) — получить view:
  • пустой, если offset > size();
  • на [offset, offset + count), если offset + count <= size();
  • на [offset, size()), если offset + count > size().

Свободные функции

• void swap(bitset& lhs, bitset& rhs) — поменять местами состояния lhs и rhs;
• std::string to_string(const bitset& bs) — перевод в строку из '0' и '1';
• std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const bitset& bs) — вывод в поток вывода out, возвращает исходный поток.

Методы bitset::view и bitset::const_view

Конструирование и операторы присваивания

• Копирующий конструктор;
• Конструктор от двух итераторов;
• Оператор копирующего присваивания;
• Неявное конструирование из ссылки на bitset.

Остальные методы

Все те же методы, что и у bitset, если они имеют смысл.

Type members

Присутствуют как в bitset, так и в views:

• value_type
• reference
• const_reference
• iterator
• const_iterator
• view
• const_view
• word_type — тип, использующийся для разрядов (не менее 32 бит)

Рекомендации по выполнению

• Разбивайте решение на файлы;
• По возможности (если это не шаблонный код) выносите реализации из хэдера;
• Выносите часто использующиеся конструкции в именованные сущности;
• Подумайте о том, как можно минимизировать количество повторяющегося кода;
• Не пренебрегайте спецификаторами доступа.