C/C++中的嵌套位域

Question

我需要创建一个包含位域的结构体，以封装一些来自硬件的数据。假设我使用编译器特定的机制来强制打包和排序，那么是否可以创建类似以下结构体（不是语法上正确的）：

typedef struct _BYTE_OF_DATA
{
    uint8_t Reserved1 : 2;
    struct
    {
        uint8_t BitWithSomeMeaning : 1;
        uint8_t BitWithSomeOtherMeaning : 1;
    } BitsWithMeaning;
    uint8_t Reserved2 : 4;
} BYTE_OF_DATA, *PBYTE_OF_DATA;

static_assert(sizeof(BYTE_OF_DATA) == 1, "Incorrect size");

然后可以按照以下方式进行访问：

BYTE_OF_DATA byteOfData;

byteOfData.Reserved1 = 1;
byteOfData.BitsWithMeaning.BitWithSomeOtherMeaning = 0;

我上面描述的确切方案行不通，因为我猜测结构体BitsWithMeaning需要从字节边界开始。我想知道是否有其他技巧可以实现位域的“嵌套”。

- TripShock

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允许使用宏吗？这是C++还是C语言？我认为是C++，因为我不认为C语言具有static_assert。 - Mooing Duck

由于存在static_assert，我猜测这应该是C++，因此应该删除C标签。 - Paul R

自C11起，C语言引入了static_assert。该问题也可能与C语言相关。 - Morwenn

@Morwenn：啊，谢谢，我不知道这个（我还在使用C99）。 - Paul R

我认为没有绕过这个问题的方法。我多年前遇到了这个问题，因此现在我总是手动进行位操作而不是使用位域(:<>)。 - thang

Answer 1

为了进一步说明我的上一个评论，以下内容应该可以实现您想要的访问方式。尽管这种方法远非优雅：

typedef union _BYTE_OF_DATA {
    struct {
        uint8_t Reserved1 : 2;
        uint8_t : 2;
        uint8_t Reserved2 : 4;
    };
    struct {
        uint8_t : 2;
        uint8_t BitWithSomeMeaning : 1;
        uint8_t BitWithSomeOtherMeaning : 1;
        uint8_t : 4;
    } BitsWithMeaning;
} BYTE_OF_DATA, *PBYTE_OF_DATA;

个人而言，我更喜欢传统的字段掩码和位置常量，并手动操作寄存器。我的经验是，以这种方式访问易失性I/O位域通常会导致效率低下且容易出现竞争的代码。

- doynax

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点赞，因为它确实实现了我想要执行的访问类型。但是，正如您提到的那样，这确实使结构本身变得难以阅读；不太明显该寄存器的结构是什么样的。 - TripShock

_BYTE_OF_DATA 标识符被保留用于实现（无论是在 C 还是 C++ 中）。在 C++ 中，您甚至不需要使用 typedef。 - MSalters

@MSalters：这个命名是从原始问题中继承下来的，而且很有可能这就是实现方式。这些类型的I/O寄存器定义通常作为嵌入式C/C++编译器的设备头文件的一部分被遇到。 - doynax

Answer 2

在这种情况下，您应该使用联合（union）。

typedef union _BYTE_OF_DATA {
    uint8_t data;
    struct {
        uint8_t padding1 : 2;
        uint8_t BitWithSomeMeaning : 1;
        uint8_t BitWithSomeOtherMeaning : 1;
        uint8_t padding 2 : 4;
    } BitsWithMeaning;
} BYTE_OF_DATA, *PBYTE_OF_DATA;

static_assert(sizeof(BYTE_OF_DATA) == 1, "Incorrect size");

所以您可以一次性填写数据：

BYTE_OF_DATA myByte;

myByte.data = someotherbyte;

并且理解其中的含义：

int meaning1 = myByte.BitWithSomeMeaning;
int meaning2 = myByte.BitWithSomeOtherMeaning;

或者相反操作：

myByte.data = 0; // Put all fields to 0

myByte.BitWithSomeMeaning = 1;
myByte.BitWithSomeOtherMeaning = 0;

int data = myByte.data;

- Bipi

Answer 3

在C++中，最简单的解决方案可能是

struct BYTE_OF_DATA
{
    uint8_t bits;
    private:
    struct
    {
        bool getBitWithSomeMeaning() const { return bool(bits&0x20); }
        bool getWithSomeOtherMeaning() const { return bool(bits&0x10); }
        void setBitWithSomeMeaning(bool b);
        void setWithSomeOtherMeaning(bool b);
    } BitsWithMeaning;
};

显然为保留字段不提供getters/setters。构造函数应该将这些字段设置为0或1，正如协议所规定的那样。

- MSalters