在 C99 中的结构中强制枚举值的宽度

Question

我有一个打算使用 32 位存储的结构：

struct foo_t {
    color_t color : 10
    some_type_t some_field : 22;
} 

，其中color_t 是一个枚举，定义为

typedef enum {
    RED = 0,
    // other values...
    BLUE = 255
} color_t

请注意，color_t 值目前适合 8 位，尽管将来我们可能会添加更多值（因此我们为 color 保留了 10 位）

在 C99 中，我想知道是否有任何保证 color 的宽度会被编译器尊重。正如this question 中所讨论的，编译器可能会选择将color_t 表示为一个字符。此时，根据C99 spec，指定的宽度出现错误：

指定位域宽度的表达式应该是一个整数常量表达式，其非负值不超过在省略冒号和表达式的情况下指定类型的对象的宽度。

那么，我怎样才能强制 color 字段使用 10 位呢？请注意，如果编译器使用常规整数来表示 color_t，问题就会消失，但不能假设这种行为。

Answer 1

您可以将所有数据组合在一个固定的 32 位 int (uint32_t) 中，在 stdint.h 中定义， 并通过位运算符访问值。

例子：

uint32_t data = (uint32_t)color<<22 | (uint32_t)some_field;
color=(color_t ) (data>>22);
some_field =(some_type_t ) (data & 0x3FFFFF);

Answer 2

为您的enum 定义添加最后一个标签：

typedef enum {
    //...
    DUMMY_FORCE_WIDTH = 0xffffffffu, // INT_MAX,
} color_t;

这具有强制编译器/ABI 为您的enum 提供足够的增长空间的额外好处。

当然，前提是你的编译器允许enum's 作为位域类型。它不需要这样做，尽管它必须将其诊断为违反约束：

6.7.2.1 结构和联合说明符§5（约束）

位域的类型应为 _Bool 的合格或不合格版本，带符号 int、unsigned int 或其他一些实现定义的类型。它是 实现定义是否允许原子类型。

如果您想严格遵守，请定义有符号或无符号类型的位域，而不是您的特殊枚举类型。不过，这只能保证 16 位的长度。

Answer 3

严格来说，C 语言 (C99) 仅保证支持位域声明中的int、signed int、unsigned int 和_Bool 类型，尽管明确允许特定实现支持其他类型作为实现-依赖行为。

换句话说，在这种情况下，我们正在处理特定于实现的行为，因为您使用 enum 类型声明了您的位字段。最好的方法是查阅您的编译器文档，但我希望它能够满足您对 10 位的请求，或者在所选存储单元无法容纳 10 位时生成诊断消息。

在我的实践中我通常使用以下方法

typedef enum color_t {
  RED = 0,
  // other values...
  BLUE,
  COLOR_COUNT
} color_t;

#define COLOR_BIT_WIDTH 8u

STATIC_ASSERT(COLOR_COUNT <= (1 << COLOR_BIT_WIDTH));
// Use your favorite implementation of `STATIC_ASSERT`

struct foo_t {
  unsigned color : COLOR_BIT_WIDTH;
  ...
};

请注意，此实现不会尝试为将来扩展颜色类型保留额外的位（您真的有理由这样做吗？）。它也不会尝试自动计算位域的宽度。相反，它只是捕捉宽度不再足够的情况，从而迫使代码维护人员注意到问题并手动修复它。

附：可以添加一个额外的简单STATIC_ASSERT 检查，以确保位域宽度不会过大，如果您希望它“恰到好处”。