O que é um bit?

Um interruptor de luz está desligado ou ligado. Um bit é a mesma ideia escrita como número: 0 ou 1. Um bit responde a uma única pergunta de sim ou não, mas coloque bits lado a lado e cada bit a mais dobra o número de padrões que eles podem formar. Oito deles bastam para qualquer letra do teclado, e bilhões deles guardam um filme.

Como um bit é armazenado

Um bit é qualquer coisa com dois estados que o hardware consegue definir e ler de volta com confiabilidade. Dispositivos diferentes usam efeitos físicos diferentes:

• Processador: um fio ou transistor com tensão alta ou baixa.
• RAM: um capacitor minúsculo em cada célula de memória, carregado ou vazio.
• Disco rígido: uma pequena região do disco magnetizada em um sentido ou no outro.
• Memória flash (SSDs, pen drives): carga elétrica presa em uma célula. A memória flash moderna guarda 3 ou 4 bits em uma célula usando vários níveis de carga.

Usam-se dois estados em vez de dez porque dois são fáceis de distinguir mesmo quando o sinal tem ruído. Um circuito só precisa decidir se uma tensão é alta ou baixa, não de qual de dez níveis ela está mais perto.

Como os bits contam

Os bits contam em binário, base 2. Cada posição vale o dobro da que está à direita: 1, 2, 4, 8, 16 e assim por diante. Os bits 1101 significam 8 + 4 + 0 + 1, que é 13.

Com n bits existem 2ⁿ padrões diferentes, então cada bit a mais dobra o intervalo:

for n in [1, 2, 4, 8, 16, 32, 64]:
    print(f"{n:>2} bits -> {2 ** n:,} values")

 1 bits -> 2 values
 2 bits -> 4 values
 4 bits -> 16 values
 8 bits -> 256 values
16 bits -> 65,536 values
32 bits -> 4,294,967,296 values
64 bits -> 18,446,744,073,709,551,616 values

Esses números aparecem em todo lugar. Um canal de cor armazenado em 8 bits tem 256 tons, e é por isso que os valores RGB vão de 0 a 255. Um endereço IPv4 tem 32 bits, então existem cerca de 4,3 bilhões deles, e o IPv6 passou para 128 bits por esse motivo. Um inteiro de 32 bits com sinal chega no máximo a 2.147.483.647, e somar 1 a ele em Java dá a volta para -2.147.483.648.

O Python converte entre números e os bits deles com bin() e int(), e o conversor de bases numéricas faz o mesmo no navegador:

number = 13
print(bin(number))            # 13 written in bits
print(int("1101", 2))         # bits back to a number
print(number.bit_length(), "bits needed")

flags = 0b0110
print(bin(flags & 0b0100))    # is bit 2 on? (nonzero means yes)
print(bin(flags | 0b0001))    # turn bit 0 on
print(bin(flags ^ 0b1111))    # flip all four bits
print(bin(flags << 1))        # shift left: doubles the value

0b1101
13
4 bits needed
0b100
0b111
0b1001
0b1100

Trabalhando com bits individuais

Os operadores na segunda metade desse exemplo são operadores bit a bit. Eles atuam em cada posição de bit separadamente: & (e) mantém um bit só onde os dois números o têm, | (ou) o mantém onde qualquer um deles o tem, ^ (ou exclusivo, xor) o mantém onde exatamente um o tem, e << e >> deslocam todos os bits para a esquerda ou para a direita. C, Java, JavaScript e Python usam os mesmos símbolos.

Os programas os usam para agrupar várias configurações de sim ou não em um único número, um bit por configuração. As permissões de arquivo do Unix funcionam assim: leitura, escrita e execução são três bits, então 7 (binário 111) significa as três e 5 (binário 101) significa leitura e execução. É isso que chmod 755 define. Cada uma dessas configurações é um booleano, e um bit é tudo de que um booleano precisa.

Bits no texto

O texto é armazenado como números, e os números como bits. Cada caractere tem um código, e o código é escrito em binário:

for letter in "Hi!":
    code = ord(letter)
    print(letter, code, format(code, "08b"))

H 72 01001000
i 105 01101001
! 33 00100001

Cada caractere aqui ocupa 8 bits, um byte. O ASCII precisa de só 7 bits por caractere, mas os computadores o armazenam em bytes inteiros. O conversor de texto para binário mostra os bits de qualquer texto que você digitar.

Bits nos números do dia a dia

Dois números conhecidos são contados em bits. A velocidade da internet é medida em bits por segundo: uma conexão de 100 Mbps transfere 100 milhões de bits por segundo, o que dá 12,5 megabytes por segundo, porque o tamanho dos arquivos é medido em bytes de 8 bits. O b minúsculo em Mbps significa bits e o B maiúsculo em MB significa bytes; a página sobre byte compara as duas unidades em detalhe.

O outro é o rótulo "64 bits" em processadores e sistemas operacionais. É o tamanho dos números e dos endereços de memória com que o processador trabalha em um passo.

Os bits também detectam erros. Um bit de paridade é um bit extra acrescentado a um grupo para que a contagem de 1s seja sempre par. Se um único bit se inverte no caminho, a contagem fica ímpar e o receptor sabe que os dados estão danificados. Um checksum estende a mesma ideia para arquivos inteiros.

De onde vem a palavra

"Bit" é a abreviação de binary digit, dígito binário. Claude Shannon a usou no artigo de 1948 "A Mathematical Theory of Communication" e atribuiu a palavra a John Tukey. Na teoria da informação de Shannon, um bit também é uma medida: a quantidade de informação na resposta a uma pergunta com dois resultados igualmente prováveis, como jogar uma moeda honesta.

Próximos passos

Os bits quase sempre são tratados de oito em oito, então leia a seguir o que é um byte, incluindo a comparação entre bit e byte. O que é um booleano mostra como um único bit de significado, verdadeiro ou falso, conduz as decisões em um programa, e o que é um checksum mostra como os bits detectam dados corrompidos.