命名空间
变体
操作

位域

来自 cppreference.cn
< cpp‎ | 语言
 
C++
 
C++ 语言
 
类
 

声明一个具有显式位大小的类数据成员。相邻的位域成员可以（或不可以）被打包以共享和跨越单个字节。

位域声明是使用以下声明符的类数据成员声明

标识符 (可选) 属性 (可选) : 大小 (1)
标识符 (可选) 属性 (可选) : 大小 brace-or-equal-initializer (2) (C++20 起)

位域的类型由声明语法的声明说明符序列引入。

属性 - (C++11 起) 任意数量的属性序列
标识符 - 正在声明的位域的名称。该名称是可选的：无名位域引入指定数量的填充位。
大小 - 一个整型常量表达式，其值大于或等于零。当大于零时，这是此位域将占用的位数。值零仅允许用于无名位域，并具有特殊含义。
brace-or-equal-initializer - 将与此位域一起使用的默认成员初始化器

目录

[编辑] 解释

位域的类型只能是整型（包括bool）或（可能带有cv限定符的）枚举类型，无名位域不能用cv限定类型声明。

位域不能是静态数据成员。

没有位域的prvalue：左值到右值的转换总是生成位域底层类型的对象。

位域中的位数限制了它可以持有的值的范围

运行此代码
#include <iostream>
 
struct S
{
    // three-bit unsigned field, allowed values are 0...7
    unsigned int b : 3;
};
 
int main()
{
    S s = {6};
 
    ++s.b; // store the value 7 in the bit-field
    std::cout << s.b << '\n';
 
    ++s.b; // the value 8 does not fit in this bit-field
    std::cout << s.b << '\n'; // formally implementation-defined, typically 0
}

可能的输出

7
0

多个相邻的位域通常被打包在一起（尽管此行为是实现定义的）

运行此代码
#include <bit>
#include <cstdint>
#include <iostream>
 
struct S
{
    // will usually occupy 2 bytes:
    unsigned char b1 : 3; // 1st 3 bits (in 1st byte) are b1
    unsigned char    : 2; // next 2 bits (in 1st byte) are blocked out as unused
    unsigned char b2 : 6; // 6 bits for b2 - doesn't fit into the 1st byte => starts a 2nd
    unsigned char b3 : 2; // 2 bits for b3 - next (and final) bits in the 2nd byte
};
 
int main()
{
    std::cout << sizeof(S) << '\n'; // usually prints 2
 
    S s;
    // set distinguishable field values
    s.b1 = 0b111;
    s.b2 = 0b101111;
    s.b3 = 0b11;
 
    // show layout of fields in S
    auto i = std::bit_cast<std::uint16_t>(s);
    // usually prints 1110000011110111
    // breakdown is:  └┬┘├┘└┬┘└─┬──┘└┤
    //                b1 u  a   b2  b3
    // where “u” marks the unused :2 specified in the struct, and
    // “a” marks compiler-added padding to byte-align the next field.
    // Byte-alignment is happening because b2's type is declared unsigned char;
    // if b2 were declared uint16_t there would be no “a”, b2 would abut “u”.
    for (auto b = i; b; b >>= 1) // print LSB-first
        std::cout << (b & 1);
    std::cout << '\n';
}

可能的输出

2
1110000011110111

大小为零的特殊无名位域可以强制中断填充。它指定下一个位域从其分配单元的开头开始

运行此代码
#include <iostream>
 
struct S
{
    // will usually occupy 2 bytes:
    // 3 bits: value of b1
    // 5 bits: unused
    // 2 bits: value of b2
    // 6 bits: unused
    unsigned char b1 : 3;
    unsigned char :0; // start a new byte
    unsigned char b2 : 2;
};
 
int main()
{
    std::cout << sizeof(S) << '\n'; // usually prints 2
                                    // would usually print 1 if not for
                                    // the padding break in line 11
}

可能的输出

2

如果位域的指定大小大于其类型的大小，则值受类型限制：std::uint8_t b : 1000; 仍将保持在范围[​0​, 255]内。额外的位是填充位。

因为位域不一定从字节的开头开始，所以不能获取位域的地址。不允许指向位域的指针和非const引用。当从位域初始化const引用时，会创建一个临时对象（其类型是位域的类型），用位域的值进行复制初始化，然后引用绑定到该临时对象。

位域没有默认成员初始化器：int b : 1 = 0; 和 int b : 1 {0} 都是非法的。

 (C++20 前)

在位域大小和默认成员初始化器之间存在歧义的情况下，选择形成有效大小的最长词元序列

int a;
const int b = 0;
 
struct S
{
    // simple cases
    int x1 : 8 = 42; // OK; "= 42" is brace-or-equal-initializer
    int x2 : 8 {42}; // OK; "{42}" is brace-or-equal-initializer
 
    // ambiguities
    int y1 : true ? 8 : a = 42;   // OK; brace-or-equal-initializer is absent
    int y2 : true ? 8 : b = 42;   // error: cannot assign to const int
    int y3 : (true ? 8 : b) = 42; // OK; "= 42" is brace-or-equal-initializer
    int z : 1 || new int{0};      // OK; brace-or-equal-initializer is absent
};
 (C++20 起)

[编辑] 注意

位域的以下属性是实现定义的

  • 将超出范围的值赋给有符号位域或用其初始化，或将有符号位域递增超出其范围所产生的值。
  • 关于类对象中位域实际分配细节的一切。
  • 例如，在某些平台上，位域不跨越字节，而在其他平台上则会。
  • 此外，在某些平台上，位域是从左到右打包的，而在其他平台上则是从右到左。

在C编程语言中，位域的宽度不能超过底层类型的宽度，并且未显式声明为signed 或 unsigned 的 int 位域是有符号还是无符号是实现定义的。例如，int b : 3; 在C中可能具有值范围[​0​, 7] 或 [-4, 3]，但在C++中只允许后一种选择。

[编辑] 缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

缺陷报告 应用于 发布时的行为 正确的行为
CWG 324 C++98 未指定赋值给位域的返回值
是否是位域		 添加了位域规范
可能返回左值的运算符
CWG 739 C++98 未声明为signed 或 unsigned 的位域的符号
是实现定义的		 与底层类型一致
CWG 2229 C++98 无名位域可以用cv限定类型声明 已禁止
CWG 2511 C++98 位域类型中不允许使用cv限定符 位域可以有cv限定符
枚举类型

[编辑] 参考

  • C++23 标准 (ISO/IEC 14882:2024)
  • 11.4.10 位域 [class.bit]
  • C++20 标准 (ISO/IEC 14882:2020)
  • 11.4.9 位域 [class.bit]
  • C++17 标准 (ISO/IEC 14882:2017)
  • 12.2.4 位域 [class.bit]
  • C++14 标准 (ISO/IEC 14882:2014)
  • 9.6 位域 [class.bit]
  • C++11 标准 (ISO/IEC 14882:2011)
  • 9.6 位域 [class.bit]
  • C++03 标准 (ISO/IEC 14882:2003)
  • 9.6 位域 [class.bit]
  • C++98 标准 (ISO/IEC 14882:1998)
  • 9.6 位域 [class.bit]

[编辑] 另请参阅

 实现固定长度位数组
(类模板) [编辑]
 节省空间的动态位集
(类模板特化) [编辑]
位操作 (C++20) 用于访问、操作和处理单个位和位序列的实用工具
C文档 关于 位域
取自“https://cppreference.cn/mwiki/index.php?title=cpp/language/bit_field&oldid=180235”