如何处理比64位更长的位域？

Question

问题已经说得很清楚了。

如果我有一个96位的字段：

uint32_t flags[3]; //(thanks @jalf!)

如果我的子字段可能跨越32位边界（例如，从第29位到第35位运行的字段），那么我应该如何最好地访问它？

我需要尽可能快地访问它们，因此我不想按32位数组元素进行迭代。

- Engineer

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您想在位域上执行哪些操作？ - alanxz

如果你恰好在一台安装了gcc、clang或其他编译器的64位机器上，你可以直接使用它们的128位数据类型__uint128_t。 - Jens Gustedt

@JensGustedt 我曾考虑过这一点，但我需要恰好96位来压缩数据并获得更好的缓存性能（在缓存中，那最后32位只会浪费）。 - Engineer

Answer 1

STL 包含一个用于处理任意长度的位域（bitfields）的类：

#include <bitset>

int main() {
  const bitset<12> mask(2730ul); 
  cout << "mask =      " << mask << endl;

  bitset<12> x;

  cout << "Enter a 12-bit bitset in binary: " << flush;
  if (cin >> x) {
    cout << "x =        " << x << endl;
    cout << "As ulong:  " << x.to_ulong() << endl;
    cout << "And with mask: " << (x & mask) << endl;
    cout << "Or with mask:  " << (x | mask) << endl;
  }
}

- Grumbel

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在C++开发中，std::bitset就是你问题的答案。 - Simone

谢谢，但不是我在询问哪种数据结构要使用。每秒投射数亿个光线时，我无法承受标准容器的开销。 - Engineer

@NickWiggill - 你有什么理由认为使用std::bitset比替代方案慢吗？请考虑这段代码，它编译成了这段汇编代码。std::bitset的解决方案有三个内存加载、两个移位、一个“或”和一个“与”。手写的解决方案有三个加载、两个移位、一个“或”和两个“与”。 - Robᵩ

@Rob 是的，我测试过了。鉴于这个程序的应用，堆栈耗尽和缓存性能影响都是非常重要的问题。如果人们停止将错误的答案标记为正确的就好了... - Engineer

你可能想要对这个假设进行测试。现代编译器非常擅长穿透抽象层。（顺便说一句，现代CPU也没有直接支持位域；就像std::containers一样，它们被编译成原始的位操作代码）。 - MSalters

实际上，您使用的是uint32_t flags [3];，std :: bitset是struct {uint32_t flags [3];}，您看到有什么区别吗？ - fghj

Answer 2

[此答案适用于C语言（并且也适用于C++）。]

跨平台的方法是根据需要应用位掩码和位移。

因此，要从29到35（包括这两个数）获取您的字段：

  (flags[1] & 0xF)        << 3
| (flags[0] & 0xE0000000) >> 29  // The bitmask here isn't really needed, but I like symmetry!

显然，你可以编写一个类/函数/宏来自动化这个过程。

- Oliver Charlesworth

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我还在消化这个内容，但这正是我想要的。谢谢您使用我的示例以代码形式提供答案。 - Engineer

我正在编写一个模板函数来检索任意位范围的位时，我意识到这是多余的。如果你编写一些内联函数，为每个字段编写一个函数，并将掩码和移位计数硬编码，那么你就完成了。 - Mark Ransom

@Mark：如果你有一个模板函数，你应该将其发布为答案。这肯定比为每个字段硬编码更通用，也比宏更安全。 - Oliver Charlesworth

@MarkRansom，感谢您的评论。两位，制作这些宏的原因是什么呢？无论如何，这是从C语言中遗留下来的吗？ - Engineer

@NickWiggill，编写宏或函数可以提高代码的可读性和重用性，同时降低出错概率并增强可维护性。宏消除了函数调用的开销，但内联函数也能做到同样的事情，而且更加类型安全，易于阅读。你的问题标记了C++和C两种语言，而C语言没有内联函数。 - Mark Ransom

@Oli，我只完成了大约三分之一的从头编写。我已经有很长时间没有需要这样的东西了。 - Mark Ransom

Answer 3

位域超过64位并没有问题。它们甚至可以比你的更大！

我看到的问题是，你正在访问跨越32位边界的成员。这是一个更大的问题。但说实话，在64位平台上，如果你使用long long来创建你的位域类型，那么你只需要在64位边界上小心谨慎。

如果你的动机是为了使你的访问“尽可能快”，那么在试图比编译器更聪明之前三思而后行。现在，他们可以进行优化，而你甚至没有意识到。我最好的建议是：保持你的代码易于阅读和理解。

- Didier Trosset