位域

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声明具有以位为单位的明确大小的类数据成员。相邻的位域成员可以打包成共享和跨过各个字节。

位域声明是使用下列声明符的类数据成员声明：

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

位域的类型由声明语法的 声明说明符序列 引入.

attr(C++11) - 可选的任何数量属性的序列
标识符 - 被声明的位域名。名字是可选的：无名位域引入指定数量的填充位
大小 - 值大于或等于零的整型常量表达式。大于零时，这是位域将占有的位数。值零仅对无名位域允许使用并具有特殊含义：它指定类定义中的下个位域将始于分配单元的边界。
花括号或等号初始化器 - 此位域所使用的默认成员初始化器

解释

位域中的位数设置其所能保有的值的极限：

运行此代码
#include <iostream>
struct S {
 // 三位的无符号位域，
 // 允许值为 0...7
 unsigned int b : 3;
};
int main()
{
    S s = {6};
    ++s.b; // 在位域中存储值 7
    std::cout << s.b << '\n';
    ++s.b; // 值 8 不适合此位域
    std::cout << s.b << '\n'; // 正式来说是由实现定义的行为，通常为 0
}

可能的输出： 

7
0

多个相邻位域通常打包在一起（尽管此行为是实现定义的）：

运行此代码
#include <iostream>
struct S {
    // 将通常占用 2 字节：
    // 3 位：b1 的值
    // 2 位：不使用
    // 6 位：b2 的值
    // 2 位：b3 的值
    // 3 位：不使用
    unsigned char b1 : 3, : 2, b2 : 6, b3 : 2;
};
int main()
{
    std::cout << sizeof(S) << '\n'; // 通常打印 2
}

可能的输出： 

2

特殊的零大小无名位域可用于强行打破填充。它指定下个位域始于其分配单元的开始：

运行此代码
#include <iostream>
struct S {
    // 通常将占用 2 字节：
    // 3 位：b1 的值
    // 5 位：不使用
    // 6 位：b2 的值
    // 2 位：b3 的值
    unsigned char b1 : 3;
    unsigned char :0; // 开始新字节
    unsigned char b2 : 6;
    unsigned char b3 : 2;
};
int main()
{
    std::cout << sizeof(S) << '\n'; // 通常打印 2
}

可能的输出： 

2

若位域所指定的大小大于其类型的大小，则值由类型所限制：std::uint8_t b : 1000; 仍会保有 0 与 255 间的值。额外位成为不使用的填充位。

因为位域不必然始于一个字节的开始，故不能取位域的地址。指向位域的指针和非 const 引用是不可行的。从位域初始化 const 引用时，将创建一个临时量（其类型是位域的类型），并以该位域的值复制初始化，而引用绑定到该临时量。

位域的类型只能是整型或枚举类型。

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位域底层类型的对象。

位域无默认成员初始化器：int b : 1 = 0; 与 int b : 1 {0} 非良构。

(C++20 前)

在位域大小与默认初始化器有歧义的情况下，选择组成合法大小的最长记号序列： 

int a;
  const int b = 0;
  struct S {
    // 简单情况
    int x1 : 8 = 42;               // OK；"= 42" 是 花括号或等号初始化器
    int x2 : 8 { 42 };             // OK；"{ 42 }" 是 花括号或等号初始化器
    // 歧义
    int y1 : true ? 8 : a = 42;    // OK；不存在 花括号或等号初始化器
    int y2 : true ? 8 : b = 42;    // 错误：不能赋值给 const int
    int y3 : (true ? 8 : b) = 42;  // OK；"= 42" 是 花括号或等号初始化器
    int z : 1 || new int { 0 };    // OK；不存在 花括号或等号初始化器
  };
 (C++20 起)

注解

位域的下列性质由实现定义

  • 以范围外的值对有符号位域进行赋值或初始化，或对有符号位域进行自增越过其范围，所产生的值。
  • 任何关于类对象中位域的实际分配细节
  • 例如，在某些平台上，位域不跨过字节，其他平台上会跨过
  • 还有，在某些平台上，位域从左到右打包，其他为从右到左
  • 未显式标为 signed 或 unsigned 的 char、short、int、long 及 long long 位域是有符号还是无符号。
  • 例如，int b:3; 可能有值域 0..7 或 -4..3。
(C++14 前)

在 C 编程语言中，位域的宽度不能超过底层类型的宽度。

引用

  • C++11 standard (ISO/IEC 14882:2011):
  • 9.6 Bit-fields [class.bit]
  • C++98 standard (ISO/IEC 14882:1998):
  • 9.6 Bit-fields [class.bit]

参阅

 实现常量长度的位数组
(类模板)