位域 VS. 位掩码

Question

我之前有C语言的经验，但我从未接触过位域特性。我知道可以使用位掩码来隔离数据结构中的某些位，但是为什么还要使用位域呢？

例如，假设我们要隔离的位是最不显著的前3位。那么我们可以编写：

/* our bitmasks */
#define FIELD_A (1 << 0)
#define FIELD_B (1 << 1)
#define FIELD_C (1 << 2)

int main(void) 
{ 
    /* the data structure that contains our three fields */
    uint8_t flags;

    /* accessing field A (as a boolean) */
    int bool_a = !!(flags & FIELD_A);

    /* accessing field B (as a boolean) */
    int bool_b = !!(flags & FIELD_B);

    /* accessing field C (as a boolean) */
    int bool_c = !!(flags & FIELD_C);

    return 0;
}

为什么我们要把它写成这样：

？

static struct fields {
    int field_a : 1;
    int field_b : 1;
    int field_c : 1;
};

int main(void) 
{ 
    /* the data structure that contains our three fields */
    struct fields flags;

    /* accessing field A */
    int bit_a = flags.a;

    /* accessing field B */
    int bit_b = flags.b;

    /* accessing field C */
    int bit_c = flags.c;

    return 0;
}

- nanoman

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位掩码方法更加可移植和健壮，建议坚持使用它。虽然位域看起来很方便，但除非您不关心位的布局。 - Eugene Sh.

你的第一个例子是不正确的。你想要移位的数字应该是你在 #define 中定义的数字，而不是 FIELD_X 本身。 - Thomas Jager

对于任何“非可移植”的声明都是如此。但是在位域的情况下，从代码中甚至无法明确哪个位将成为最低有效位和最高有效位。而且还不清楚整个位域的宽度是多少。还有其他一些有趣的事情，只有通过实验或深入挖掘编译器文档才能发现。 - Eugene Sh.

编程时，一丝不苟排在第一位。 - Weather Vane

int field_a : 1; 实际上是不正确的：一个只有一位的int位域如果被设置可能会被读作 -1 而非 1。你应该写成 unsigned int field_a : 1;。 - chqrlie

Answer 1

相较于显式位掩码(bit masks)，位域(bitfields)在长度大于1时更方便使用。手写的位操作往往容易出现微妙的错误。

位域的主要问题在于精确定义:

• 用 int 声明的位域是有符号还是无符号，取决于具体实现。

• 位域在内存中的顺序和位置是由具体实现定义的，这使得硬件映射更加危险。即使对于给定的字节序(endianness)，位域的位置和顺序也没有被严格地定义，这是一个重大缺陷。

特别注意的是 int field_a : 1; 实际上存在问题：如果设置了该位，单比特位域可能被读为 -1 而不是 1。应该使用 unsigned int field_a : 1; 等。

- chqrlie

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也许我对标准的解释有误，但我认为如果您没有明确指定位域的符号性，则它是否带符号只是实现定义。来自C11标准6.7.2.1p5：位域应具有限定或未限定版本的_Bool、signed int、unsigned int或其他一些实现定义类型的类型。 - Christian Gibbons

结合脚注125，可以更清楚地了解：如上文6.7.2所指定的，如果实际使用的类型说明符是int或被定义为int的typedef名称，则位域是有符号还是无符号是由实现定义的。 - Christian Gibbons

Answer 2

我知道可以使用位掩码来隔离数据结构中的某些位，但为什么还要使用位域？

使用位域是为了映射一个数据结构，其中字段大小并不完全匹配您的C实现内置类型，例如TCP标头，或者只是为了缩小数据结构的大小。

您确实可以通过使用掩码和移位来手动压缩和解压数据，但位域提供了更方便的语法。除了隐藏移位和掩码之外，位域访问透明地处理符号扩展问题和_Bool的特殊特性（如果适用）。

这种权衡是对细节失去控制。如果您手动打包和解包，那么您可以完全信任和控制布局，并具有很好的可移植性。另一方面，如果您使用位域，并且您关心比特位如何排列的细节，则需要依赖于实现细节或扩展来确保您拥有所需的布局，如果从您的实现中可能实现。

- John Bollinger