C中的位域

Question

我有以下代码：

#include <stdio.h>
struct test 
{
   int x: 2;
   int y: 2;
};
int main()
{
   test t;
   t.x = -1;
   printf("%d", t.x);
   return 0;
}

这个sn-p打印-1我能理解，

如果代码相同，%d被替换为%x格式说明符，如下所示：

#include <stdio.h>
struct test 
{
   int x: 2;
   int y: 2;
};
int main()
{
   test t;
   t.x = -1;
   printf("%x", t.x);
   return 0;
}

输出变为ffffffff。

请解释为什么会这样。

Answer 1

这与位域本身无关。发生这种情况是因为 C 中有一条晦涩的规则，称为 默认参数提升：

如果表示被调用函数的表达式有一个类型 不包括原型，整数提升在 每个参数，并且具有浮点类型的参数被提升为 双倍的。这些称为默认参数提升。

（强调我的）而且这条规则也适用于像 printf 这样的可变参数函数：

函数原型声明器中的省略号表示 参数类型转换在最后一个声明的参数之后停止。 默认参数提升是在尾随参数上执行的。

因此，在 printf 甚至开始解释它之前，您的位字段已被提升为类型 int 的整数。该符号被保留，因此您看到的是二进制补码 int 的十六进制表示，其中包含值 -1。

附带说明一下，我不建议您使用位字段，因为它们的行为没有明确规定，而且它们完全不可移植。 See this.

Answer 2

%x 表示printf 将以十六进制格式输出其值。现在，问题是为什么-1 的输出看起来像ffffffff (0xffffffff)。

1 byte 表示8 bits，在十六进制中，4 bits 中最多可以容纳f。所以1 byte 可以保存十六进制的ff 的最大值。

所以，

Bytes       Hex            Bin
1 byte      ff             11111111
4 byte      ff ff ff ff    11111111 11111111 11111111 11111111

现在，-1 代表Two's complement，表示它是1 的负数。

toggle:   00000000 00000000 00000000 00000001 (to fit in 4 byte)
toggle:   11111111 11111111 11111111 11111110
+1    :                                    +1
----------------------------------------------
value :   11111111 11111111 11111111 11111111
hex   :   ff       ff       ff       ff

所以，0xffffffff 是-1 的补充表示。没有魔法。

Answer 3

%x 打印给定参数值的十六进制表示。 -1 的二进制补码表示，以十六进制表示，为您提供 ffffffff。

^{FWIW：此结果与此处使用位文件变量无关，因为printf() 是variadic function。}

Answer 4

当您将位字段传递给printf（一个具有可变数量参数的函数）时，该值将转换为int。尽管该值只有两位，但其二进制值11 在二进制补码表示中表示-1，因此该值在发送到printf 时被符号扩展为整数-1。这是 0xffffffff 在 32 位系统上的十六进制表示。

如果您只想看到两个位打印为十六进制，请将您的位字段设为无符号。这将确保在打印之前不会执行符号扩展：

#include <stdio.h>
struct test 
{
   unsigned int x: 2;
   unsigned int y: 2;
};
int main()
{
   struct test t;
   t.x = -1;
   printf("%x", t.x);
   return 0;
}

这会打印 3 (demo)。

Answer 5

您的系统（以及几乎所有）系统以 2 的补码形式存储负数。 -1 以 8 位 2 的补码形式表示为 FFH。

您观察到的是符号扩展 2 的“-1”补码。