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位域

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声明一个具有明确大小（以位为单位）的类数据成员。相邻的位域成员可以（或可能不会）打包在一起，以共享和跨越各个字节。

位域声明是一个类数据成员声明，它使用以下声明符

标识符 (可选) attr (可选) : size (1)
标识符 (可选) attr (可选) : size 大括号或等号初始化器 (2) (自 C++20 起)

decl-specifier-seq of the declaration syntax 引入了位域的类型。

attr - (自 C++11 起) 任意数量的 属性 的序列
标识符 - 正在声明的位域的名称。名称是可选的：无名位域引入指定数量的 填充位。
size - 一个 整数常量表达式，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，并且具有 特殊含义。
大括号或等号初始化器 - 用于此位域的 默认成员初始化器

内容

[编辑] 解释

位域的类型只能是整型或（可能是 cv 限定的）枚举类型，无名位域不能用 cv 限定的类型声明。

位域不能是 静态数据成员。

没有位域 纯右值：左值到右值转换始终生成一个位域的底层类型的对象。

位域中的位数设定了它可以保存的值范围的限制

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

多个相邻位域通常会打包在一起（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分解填充。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 size，则该值将受到类型的限制：一个 std::uint8_t b : 1000; 仍然会保存 0 到 255 之间的值。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。指向位域的指针和非 const 引用是不可能的。当从位域 初始化 const 引用 时，将创建一个临时对象（其类型是位域的类型），使用位域的值复制初始化，并且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} 是非法的。

 (直到 C++20)

如果位域大小和默认成员初始化器之间存在歧义，则选择形成有效大小的最长标记序列。

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
};
 (自 C++20 起)

[edit] 说明

位域的以下属性是实现定义的

  • 用超出范围的值为带符号位域赋值或初始化，或将带符号位域递增到超出其范围时产生的值。
  • 有关位域在类对象中实际分配细节的所有内容。
  • 例如，在某些平台上，位域不会跨越字节，而在其他平台上则会跨越字节。
  • 此外，在某些平台上，位域从左到右打包，而在其他平台上则从右到左打包。

在 C 编程语言中，位域的宽度不能超过底层类型的宽度，并且是否 int 未明确指定为 signed 或 unsigned 的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 0..7 或 -4..3 的值范围，但在 C++ 中，只允许后一种选择。

[edit] 缺陷报告

以下行为更改缺陷报告已追溯应用于先前发布的 C++ 标准。

DR 应用于 已发布的行为 正确行为
CWG 324 C++98 未指定是否返回值
对位域的赋值是位域		 为
可能返回左值的运算符添加了位域规范
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 可以声明无名位域，其类型具有 cv 限定符 禁止
CWG 2511 C++98 位域类型中不允许使用 cv 限定符 位域可以具有 cv 限定符
枚举类型

[edit] 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]

[edit] 另请参阅

 实现常量长度位数组
(类模板) [edit]
 节省空间的动态位集
(类模板特化) [edit]
位操作 (C++20) 访问、操作和处理单个位和位序列的实用程序
C 文档 for 位域
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