有符号位字段表示

Question

我创建了一个字段大小为 1 位的位字段，并使用 int 而不是 unsigned。后来当我尝试检查该字段的值时，我发现该值为-1。 我使用此代码检查二进制表示和我的位字段的值：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

union {
    struct {
        int bit:1;
    } field;
    int rep;
} n;

int main() {

int c, k;
n.field.bit=1;
 for (c = 31; c >= 0; c--)
  {
    k = n.rep >> c;

    if (k & 1)
      printf("1");
    else
      printf("0");
  }

  printf("\n %d \n", n.field.bit);

return 0;
}

输出是： 000000000000000000000000000000001

-1

在那种情况下，为什么我的位字段的值是-1，当我使用有符号整数而不是无符号时它总是一个负数？

Answer 1

你不应该使用普通的 int 作为位域类型，如果你期待一些关于值的东西除了它可以保存 n 位 - 根据 C11 标准它实际上是实现-定义位域中的int是有符号还是无符号6.7.2p5：

5 每个逗号分隔的多重集指定相同的类型，除了位域，说明符 int 是否指定与 signed int 相同的类型是实现定义与unsigned int相同的类型。

在您的情况下，int 指定与signed int 相同的类型；这是the default in GCC：

“普通”int 位域被视为有符号整数位域还是无符号整数位域（C90 6.5.2、C90 6.5.2.1、C99 和 C11 6.7.2、 C99 和 C11 6.7.2.1)。

默认情况下，它被视为signed int，但这可以通过-funsigned-bitfields 选项进行更改。

因此，任何理智的程序总是指定任一 signed int 或 unsigned int，这取决于哪个适合当前用例。

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然后是实现定义带符号的数字是在一个补码还是二进制补码 - 或者可能是符号和幅度 - 如果它们在一个补码或 s-and-m 中，那么唯一可以存储的值1 位是符号位，因此为 0；所以一位的有符号位字段可能只对 2 的补码有意义。

您的系统似乎使用 2 的补码 - 例如what GCC always uses:

有符号整数类型是使用符号和大小、二进制补码还是一个补码表示，以及异常值是陷阱表示还是普通值（C99 和 C11 6.2.6.2）。

GCC 仅支持二进制补码整数类型，所有位模式都是普通值。

因此位值1 和0 被解释为带符号的二进制补码：前者设置了符号位，所以它是负数（-1），后者没有符号位设置为非负 (0)。

因此对于 2 位的有符号位域，可能的位模式及其在 2 的补码机器上的整数值是

• 00 - 具有 int 值 0
• 01 - 具有 int 值 1
• 10 - 具有 int 值 -2
• 11 - 具有 int 值 -1

在一个 n 位域中，最小有符号数为 - 2^(n - 1)，最大为 2^(n-1) - 1。

现在，当对秩小于int 的有符号整数操作数执行算术运算时，首先将其转换为int，因此值-1 被符号扩展为全角@987654351 @; 默认参数提升也是如此；当它被传递到printf 时，该值被符号扩展为（全角）int。

因此，如果您希望从一位位域获得合理的值，请使用 unsigned bit: 1;，或者如果要将其理解为布尔标志，则使用 _Bool bit: 1;

Answer 2

当您调用可变参数函数（如printf）时，某些参数会被提升。例如，位域经过integer promotion 提升为普通的int 值。该促销带来了符号扩展（因为您的位字段的基本类型已签名）。这个符号扩展将使它成为-1。

使用位域时，几乎总是使用无符号类型作为基础。