如何计算有符号位域的最大支持值？

Question

假设我的项目包含一个来自第三方库的头文件，其中包含以下内容：

struct foo {
    signed int x:4;
};

如何在不假设位字段始终具有宽度4以及不依赖于实现定义行为的情况下，确定成员x中可以存储的最大值？

- Richard Hansen

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可靠地存储只能是 1111。 - Grijesh Chauhan

@GrijeshChauhan：“不要假设位域总是具有宽度4。”第三方开发人员可能会在下一个版本中将其宽度更改为5，或者13，或其他某些值。我不希望我的代码在位域的宽度更改时出现问题。 - Richard Hansen

我没明白 :( ，*不要假设位域始终具有宽度4*，但任何编译器都会始终具有4位宽... 我是不是漏了什么？ - Grijesh Chauhan

@GrijeshChauhan：在第三方库的下一个版本中，那个4可能会改变为5或其他内容。 - Richard Hansen

好的，我明白了！现在……好问题。但是:(没有头绪，我觉得只有通过第三方库文档你才能知道这个问题的答案。但是如何构建稳定的代码？仍然是一个问题…… - Grijesh Chauhan

Answer 1

由于位域的大小无法使用sizeof计算，因此可以用以下方法：

#include <stdio.h>

struct foo {
    signed int x: 4;
};

#define BIT(n) (1l << (n))
#define BIT_MASK(len) (BIT(len) - 1)

int main(void)
{
    struct foo f = {0};
    long i = 0;

    while (f.x >= 0) {
        f.x = BIT_MASK(++i);
    }
    printf("bits=%ld max=%ld\n", i, BIT_MASK(i));
    return 0;
}

将左移位直到f.x为负。

编辑：

上面的代码是实现定义的，请检查下面的代码，我认为这个代码会运行（但你必须处理BIG ENDIAN）：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct foo {
    signed int x: 4;
};

#define BIT(n) (1l << (n))
#define BIT_MASK(len) (BIT(len) - 1)

int main(void)
{
    long x, i = 0;
    struct foo f;

    f.x = -1;
    memcpy(&x, &f, sizeof(f));
    while (1) {
        if (!(x & BIT(++i))) break; 
    }
    printf("bits=%ld max=%ld\n", i, BIT_MASK(i));
    return 0;
}

现在可以看到它不会超过2^(n-1)-1 (适用于long)

- David Ranieri

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这是非常好的答案！David RF，你应该添加一些注释和解释。 - Grijesh Chauhan

OP (@Richard Hansen)：检查一下这段代码是否可行 @codepad - Grijesh Chauhan

我认为这取决于实现定义的行为。一旦BIT_MASK(++i)超过2^3-1，该值就超出了可表示值的范围。C99 6.3.1.3p3指出，如果新类型是有符号的且该值无法在其中表示，则结果是实现定义的或引发实现定义的信号。因此，我不能可移植地依赖于该值变为负数（它理论上可能会崩溃，尽管我不知道任何会这样做的实现）。 - Richard Hansen

@DavidRF: 很不幸，仍然存在实现定义（或未定义）的行为：sizeof(f)可能大于sizeof(x)（参见C99 6.7.2.1p15），f中的其他位可能不为0（C99 6.2.6.1p6），我找不到标准关于保存位域的字节中剩余位的值的规定，位域表示中位的顺序是实现定义的（例如，符号位可能在值位的中间），并且分配给包含字节的位的顺序是实现定义的（C99 6.7.2.1p11）。 - Richard Hansen

@RichardHansen，#pragma pack 在这里有帮助吗？希望你能找到解决方案。 - David Ranieri

不，#pragma pack 的行为是实现定义的。 - Richard Hansen

Answer 2

基本上你做不到。问题与确定INT_MAX或INT_MIN的问题相同：因为你无法自己确定这些值，编译器实现必须提供这些值。(你可以采取的所有措施来确定符号位的位置都具有实现定义（甚至是未定义）行为：溢出、移位操作)

对于位域，实现无法提供这些值，所以你卡住了。

这是位域确实不应该是signed的原因之一。位域用于位操作，没有其他作用，因此符号位就被浪费了。

如果你的字段是unsigned，事情就容易了。你只需在其中存储-1，就可以得到全部为1的值，即“类型”的最大值。

- Jens Gustedt

Answer 3

如果我要这样做，我会尝试将-1加载到它上面，如果它是二进制补码表示，则为可存储的最大正值。 以上情况

foo.x = -1; unsigned int max_size = (unsigned int)(foo.x);

其中一半将是无符号最大值，另一半加1将是有符号最大值

- user2918125