开发PNG隐写程序时，如何逐位读取&[u8]或Vec<u8>数据？

问题背景 #

开发PNG文件隐写程序时，需要从Vec<u8>格式的数据中逐位读取指定数量的比特，用于替换PNG像素颜色通道的最低有效位。已定义如下结构体，但read_bits函数的实现存在困惑：

struct Data {
    bytes: Vec<u8>,
    index: usize,
}

impl Data {
    fn read_bits(&mut self, n: usize) -> u8 {
        // 需要实现：从self.bytes读取n位并返回，同时更新self.index
        // 示例：当前字节是0b11001011，n=2时返回0b11，下次读取返回下两位0b10
    }
}

应用场景示例（替换像素红色通道最低2位）：

let mut red = ...; // 像素的红色通道值
red = red & 0b11111100; // 清除最后2位
red = red + data.read_bits(2); // 读取2位数据并替换到红色通道的最低2位

实现方案 #

将index定义为已读取的总比特数，通过计算定位当前字节和字节内偏移，分情况处理单字节/跨字节的比特读取：

impl Data {
    fn read_bits(&mut self, n: usize) -> u8 {
        // 确保读取位数在合法范围（u8最多存8位）
        assert!(n <= 8 && n > 0, "n must be between 1 and 8");
        
        let mut result = 0;
        let mut remaining_bits = n;
        
        while remaining_bits > 0 {
            // 当前所在字节的索引
            let byte_idx = self.index / 8;
            // 当前字节内已读取的比特数（即剩余未读的起始偏移）
            let bit_offset = self.index % 8;
            // 当前字节剩余可读取的比特数
            let available_bits = 8 - bit_offset;
            
            // 本次实际读取的比特数（取剩余需求和当前可用的最小值）
            let take_bits = remaining_bits.min(available_bits);
            
            // 从当前字节提取目标比特
            let byte = self.bytes[byte_idx];
            // 右移将目标比特移到最低位，再用掩码截取对应位数
            let extracted = (byte >> (8 - bit_offset - take_bits)) & ((1 << take_bits) - 1);
            
            // 将提取的比特拼接到结果的高位
            result = (result << take_bits) | extracted;
            
            // 更新剩余读取量和总比特索引
            remaining_bits -= take_bits;
            self.index += take_bits;
        }
        
        result
    }
}

关键逻辑解释 #

1. 索引定位：通过self.index / 8找到当前字节，self.index % 8找到字节内的起始读取偏移；
2. 比特提取：用右移操作把目标比特移到字节最低位，再用(1 << take_bits) - 1生成的掩码截取对应位数（比如take_bits=2时，掩码为0b11）；
3. 跨字节处理：如果单次读取的比特数超过当前字节剩余量，循环处理下一个字节，直到读取完指定的n位；
4. 边界校验：用assert!确保n在1-8之间，避免超出u8的存储范围。

示例验证 #

• 初始index=0，目标字节为0b11001011，调用read_bits(2)：
  • 提取0b11，index更新为2；
• 再次调用read_bits(2)：
  • 提取0b10，index更新为4，完全符合预期。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者lynx_xdg