为什么位域必须是整数？答案

【问题标题】：Why bitfields have to be integer?为什么位域必须是整数？
【发布时间】：2013-09-10 23:38:08
【问题描述】：

我搜索的每一本书、互联网上的每一个教程和 SO 上的每一个问答都说，位域必须是整数类型。这是为什么？

【问题讨论】：

【解决方案1】：

让我们问相反的问题：

让我们回顾一下选项：

void：不是一个值——不会起作用。
指针：但机器上的指针是固定大小的；您不能使用 13 位指针并期望它意味着什么。
结构、联合：但您处理的不是简单的字段。
剩下的是 float 或 double，但这些都是精心设计的格式，您不能简单地使用 double（或 float）中的 13 位并期望它意味着什么。

所以，在您完成这些选项之后，您会得到各种类型的整数：char、short、int、long、long long（有符号和无符号形式）和_Bool。在这些选项中，标准规定您可以使用_Bool、unsigned int、signed int 和“普通”int：

ISO/IEC 9899:2011 §6.7.2.1 结构和联合类型说明符

¶5 位域的类型应为_Bool、signed int、unsigned int 或其他一些实现定义的类型的合格或非合格版本。这是实现定义是否允许原子类型。

'plain' int 的行为是由实现定义的：它可以是有符号的或无符号的（大致类似于 'plain' char 可以是有符号的或无符号的）。所以，jxh 的评论是正确的；我不小心引用了太多类型（但我已经改写了一些内容，以免造成误导）。

请注意，位域的大部分行为都是由实现定义的；除了符号之外，标准规定的内容很少。

【讨论】：

出于某种原因，它仅适用于 _Bool、int 和 unsigned int。所有其他的都是实现定义的。
和往常一样，现在看起来很明显，当我意识到操纵浮点数来改变特定位是多么困难，而整数是直截了当的。
C99 确实支持十六进制常量来指定浮点值，但这些是源代码概念；在运行时很难处理它们（您可能必须使用snprintf() 和sscanf()）。我不确定在哪里列出_Complex；它可以是复合的，例如结构和联合。我也没有提到数组，但数组有一个基本类型，尝试操作位数组没有多大意义，因为 C 中并没有真正的位类型。等等。你是对的；一旦你了解了备选方案，很明显整数是唯一真正的选择。

【解决方案2】：

整数是一组简单的加权位。他们安静，谦逊，并且很容易被操纵。

几乎所有其他数据类型都受到某种解释：浮点数有两部分，尾数和指数；字符串是......好吧，字节字符串（或Unicode值）。一个结构，或者一个指向数组的指针，几乎可以表示任何东西。

例如，我可以轻松地将 32 位存储在一个整数中，然后像这样检索它们（类似 c 的伪代码）：

int GetBit(int field, int position)
{
    return field & 1 << position;
}

其中返回值为 1 或 0，以整数形式存储。

一个字节（八位）是计算机系统中最小的公分母；计算机不会让您直接检索小于此数量的位，并且现在大多数计算机都检索多字节数量的位。一台 32 位计算机检索……嗯，一次 32 位；一个 32 位整数，这就是我们谈话的开始。

【讨论】：

【解决方案3】：

这就是位域的定义方式，它们只能采用（某些）整数类型并被解释为整数值。

C.11 §6.7.2.1 ¶5：

位字段的类型应该是_Bool、signed int、unsigned int 或其他一些实现定义的类型的合格或非合格版本。是否允许原子类型由实现定义。

C.11 §6.7.2.1 ¶10：

位域被解释为具有由指定位数组成的有符号或无符号整数类型。如果值 0 或 1 存储到类型为_Bool 的非零宽度位域中，则位域的值应与存储的值进行比较； _Bool 位域具有 _Bool 的语义。

如果您想知道如何使用位域，位域通常用于创建比它所基于的类型更小的类型。而且，顾名思义，这种类型的“变量”有望用于位操作。传统上，位操作是使用整数类型执行的。

【讨论】：

是的，这只是一个重言式。它是一个整数，因为规范说它是一个整数。
@RobertHarvey：我想是的，但是还有其他不涉及推测的答案吗？
@RobertHarvey +1 寻找使用“重言式”的好地方。但是，偶尔参考一个标准是适当的和决定性的（并且令人欣慰），你不觉得吗？
@ryyker：它只是“引出了”一个问题，“为什么规范说它是一个整数？”
@RobertHarvey：我通常不会推测为什么 C 会以某种方式标准化。我认为它是传统的，因为没有理由 char 不能成为位字段的标准化类型，long-er 整数类型也是如此。

【解决方案4】：

几乎所有其他类型（即非整数）都存在于该语言中，主要是因为它们被（或可以）直接由底层硬件支持。例如，这适用于指针类型和浮点算术类型。底层硬件立即对类型的对象表示施加了严格的格式和位大小要求。无法更改类型的位大小并仍然保持硬件直接支持。

为了实现非整数类型的位域等特性，实现必须为这些类型的位域版本提供软件级支持，即它必须模拟支持此类类型。这将是相当复杂和低效的，所以语言标准不包括这个作为一个特性。同时，对于整数类型，这并不难高效地实现。

【讨论】：