位域成员的大小是多少？

Question

有没有人知道如何提取位域成员的大小？下面的代码自然地给出了一个整数的大小，但是我该如何找出mybits.one中有多少位或字节？我已经尝试过sizeof(test.one)，但显然行不通。我意识到这是对位的度量：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    struct mybits {
        unsigned int one:15;
    };

    mybits test;
    test.one = 455;
    cout << test.one << endl;
    cout << "The size of test.one is:  " << sizeof(test) << endl;
}

- domonica

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运行时解决方案：将整个结构的值设置为零，然后使用“~”反转字段，最后计算设置为“1”的位数。http://social.msdn.microsoft.com/Forums/en-US/7e4f01b6-2e93-4acc-ac6a-b994702e7b66/finding-size-of-bitfield - Alex F

Answer 1

《C++标准草案》在第5.3.3节的Sizeof段落1中规定，sizeof不能应用于位域。如果您控制源代码，则使用枚举会更简单、更整洁。

struct mybits
{
    enum bitFieldSizes
    {
        field1 = 15,
        field2 = 2,
        field3 = 4,
        field4 = 8,
        field5 = 31
    };

    unsigned int one : field1 ;  
    unsigned int two : field2 ;  
    unsigned int three : field3 ;
    unsigned int four : field4 ;
    unsigned int five : field5 ;
};

如果您无法控制源代码，可以使用位操作技巧来获取位域的大小，std::bitset 使其更加简便：

#include <iostream>
#include <bitset>

struct mybits
{
    unsigned int one : 15 ;  
    unsigned int two : 2 ;  
    unsigned int three : 4 ;
    unsigned int four : 8 ;
    unsigned int five : 31 ;
};

int main()
{
    mybits mb1 ;

    mb1.one   =  ~0 ;
    mb1.two   =  ~0 ;
    mb1.three =  ~0 ;
    mb1.four  =  ~0 ;
    mb1.five  =  ~0 ;

    std::bitset<sizeof(unsigned int)*8> b1(mb1.one);
    std::bitset<sizeof(unsigned int)*8> b2(mb1.two);
    std::bitset<sizeof(unsigned int)*8> b3(mb1.three);
    std::bitset<sizeof(unsigned int)*8> b4(mb1.four);
    std::bitset<sizeof(unsigned int)*8> b5(mb1.five);

    std::cout << b1 << ":" << b1.count() << std::endl ;
    std::cout << b2 << ":" << b2.count() << std::endl ;
    std::cout << b3 << ":" << b3.count() << std::endl ;
    std::cout << b4 << ":" << b4.count() << std::endl ;
    std::cout << b5 << ":" << b5.count() << std::endl ;
}

它会产生以下输出：

00000000000000000111111111111111:15
00000000000000000000000000000011:2
00000000000000000000000000001111:4
00000000000000000000000011111111:8
01111111111111111111111111111111:31

- Shafik Yaghmour

Answer 2

运行时解决方案，该想法源自这个讨论：http://social.msdn.microsoft.com/Forums/en-US/7e4f01b6-2e93-4acc-ac6a-b994702e7b66/finding-size-of-bitfield。

#include <iostream>
using namespace std;

int BitCount(unsigned int value)
{
    int result = 0;

    while(value)
    {
        value &= (value - 1);
        ++result;
    }

    return result;
}

int main()
{
    struct mybits {
        unsigned int one:15;
    };

    mybits test;
    test.one = ~0;

    cout << BitCount(test.one) << endl;

    return 0;
}

打印出15。

- Alex F

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不确定，但这可能取决于编译器，因为未定义填充位的设置方式。它们可能包含垃圾数据。因此，请注意如何使用它。此外，它是在运行时完成的。 - BЈовић

@BЈовић：只有test.one被传递到BitCount，它不应包含填充位。可以先将整个结构清零，但我认为这并不必要。 - Alex F

Answer 3

使用 constexpr 实现的编译时解决方案:

struct S
{
    unsigned int a : 4;
    unsigned int b : 28;
};

#define GET_BIT_FIELD_WIDTH(T, f) \
    []() constexpr -> unsigned int \
    { \
        T t{}; \
        t.f = ~0; \
        unsigned int bitCount = 0; \
        while (t.f != 0) \
        { \
            t.f >>= 1; \
            ++bitCount; \
        } \
        return bitCount; \
    }()

int main()
{
    constexpr auto a = GET_BIT_FIELD_WIDTH(S, a);
    constexpr auto b = GET_BIT_FIELD_WIDTH(S, b);
    static_assert(a == 4);
    static_assert(b == 28);
}

我认为这不会引发任何未定义的行为，但它确实会引发一些实现定义的行为：

1. 位域的环绕操作是由实现定义的。
2. 如果有符号位域的右移使用符号扩展（实现定义），那么以上解决方案将对其不起作用。在这种情况下，编译器将陷入无限循环。

- TripShock

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非常好的解决方案，谢谢。使用gcc编译时，由于尝试将~0分配给较窄的位域，会出现溢出警告。warning: conversion from 'unsigned int' to 'unsigned char:4' changes value from '4294967295' to '15' [-Woverflow]使用clang似乎没问题。相反，设置t.f = 1，然后左移直到位从左侧掉落似乎效果很好。t.f = 1; while (t.f != 0) { t.f <<= 1; ... 或 for (t.f = 1; t.f !=0; t.f <<= 1, bitcount ++); - Jack Culhane

这很酷，Jack的评论解决了有符号字段的计算问题，而无需确定T的无符号版本（在位域中可能不可能）。 - Alexis Wilke

Answer 4

由于填充的存在，使用sizeof运算符无法看到位域中的位数。

唯一的方法是打开定义结构的头文件并查找它。

- BЈовић

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好的，谢谢。但是如果我将类型更改为char并超过位域成员的8位大小，则可以使用sizeof函数确定向上舍入的字节数。编译器会警告我超出了char 8位的位域大小。这样做还可以吗？以后会有问题吗？ - domonica

@domonica 首先，我真的希望你不要忽略编译器警告，因为这是懒惰的人做的事情。不确定会发生什么。它可能是未定义或实现定义的行为。无论如何，我不会这样做。 - BЈовић

谢谢大家，这里有一些非常有用的建议。我保证不会忽略编译器警告。 - domonica

Answer 5

除了自己阅读声明外，没有其他方法可以获取此信息。根据标准 [C++11]expr.sizeof§1，在位域上调用sizeof是非法的：

不得对指定位域的lvalue应用sizeof运算符。

- Angew is no longer proud of SO

Answer 6

这里是一个有点棘手的通用版本：

#include <iostream>
#include <limits>
#include <bitset>
#include <cstring>
using namespace std;

template <class T>
T umaxof()
{
      T t;
      memset(&t, 0xFF, sizeof(T));
      return t;
}

template <class T>
size_t bitsof(const T& umax)
{
    return bitset<sizeof(T)*8>(umax).count();
}

int main() 
{
    struct A
    {
        uint32_t bf1:19;
        uint32_t bf2:1;
    };

    cout << bitsof(umaxof<A>().bf1) << "\n";
    cout << bitsof(umaxof<A>().bf2) << "\n";

    return 0;
}

可以在https://ideone.com/v4BiBH上尝试。

注意：仅适用于无符号位域。

- em2er

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您正在对位域使用sizeof，根据标准是不允许的。 - ABaumstumpf