具有别名的可变大小位域答案

【问题标题】：Variable-sized bitfields with aliasing具有别名的可变大小位域
【发布时间】：2009-10-01 11:58:36
【问题描述】：

我有一些包含位域的结构，其大小可能会有所不同。示例：

struct BitfieldSmallBase {
    uint8_t a:2;
    uint8_t b:3;
    ....
}

struct BitfieldLargeBase {
    uint8_t a:4;
    uint8_t b:5;
    ....
}

和一个联合来一次访问所有位：

template<typename T>
union Bitfield 
{
    T bits;
    uint8_t all;    // <-------------  Here is the problem

    bool operator & (Bitfield<T> x) const {
        return !!(all & x.all);
    }
    Bitfield<T> operator + (Bitfield<T> x) const {
        Bitfield<T> temp;
        temp.all = all + x.all;   //works, because I can assume no overflow will happen
        return temp;
    }
    ....
}

typedef Bitfield<BitfieldSmallBase> BitfieldSmall;
typedef Bitfield<BitfieldLargeBase> BitfieldLarge;

问题是：对于某些位域基类，uint8_t 是不够的。 BitfieldSmall 确实适合 uint8_t，但 BitfieldLarge 不适合。数据需要尽可能紧密地打包（稍后将由 SSE 指令处理），因此始终使用 uint16_t 是没有问题的。有没有办法用整数类型声明“全部”字段，其大小与位域相同？还是以其他方式访问整个位？

我当然可以放弃使用模板并明确声明每种位域，但我想避免代码重复（有很多运算符和成员函数）。

【问题讨论】：

标签： c++ bit-fields

【解决方案1】：

您也可以将整数类型设为模板参数。

template<typename T, typename U>
union Bitfield 
{
    T bits;
    U all;
}

typedef Bitfield<BitfieldSmallBase, uint8_t>  BitfieldSmall;
typedef Bitfield<BitfieldLargeBase, uint16_t> BitfieldLarge;

【讨论】：

有时解决方案就是这么简单:-)

【解决方案2】：

我了解到，虽然您正在使用的 var 的位宽是让编译器为您进行屏蔽和移位的一种便捷方式，但您不能做出假设关于结构中成员的顺序和填充。它的编译器依赖并且编译器确实改变了顺序，并且依赖于你项目中的其他代码。

如果您想将一个字节视为离散字段，您真的必须这样做。

【讨论】：

可移植性是次要的，因为无论如何我都需要使用 SSE，所以这仅限于 x86_64（可能还有 x86）。对于我使用的编译器（gcc，icc），我可以对结构的布局做出安全的假设，它在 ABI 中定义。
但不保证在两个编译器中相同。或者在这些编译器的下一个版本中。
icc 和 gcc 都符合 x86_64 ABI。 ABI 损坏时有发生，但他们通常会非常努力地将影响降至最低。如果你发现 icc 的结构布局与 gcc 不同的情况，你甚至可以提交一个 bug，因为 icc 尽可能地与 gcc 兼容。
好吧，我自己遇到问题的是 GCC 和 x86_64，我想我使用的是 4.4.something。只是我的数据点。
您能详细说明问题出在哪里吗？我知道甚至一些 gcc 开发人员都回避位域，但有时它们对于低级的东西很方便

【解决方案3】：

您可以使用模板元编程来定义一个模板函数，该函数从 BitfieldSmallBase、BitfieldLargeBase 等映射到另一种类型 - 默认为 uint8_t，并将 BitfieldLargeBase 的 uint16_t 作为模板特化，然后像这样使用它：

union Bitfield 
{
    T bits;
    typename F<T>::holder_type all;
};

【讨论】：

另一个不错的解决方案。但我更喜欢 John Kugelmans 的解决方案，它更简单。
如果 BitfieldSmall* 类很少，John 有一个更好的解决方案；如果它们中有很多，但我的更好，但有一两个突出并需要，比如 uint16_t 与默认 uint8_t。
有 3 个位域类，其中一个是两字节大小的（到目前为止..）。因为 F::holder_type 的声明及其特化超过 3 行，Johns 解决方案在这种情况下更好，尽管差距很小；-)

【解决方案4】：

您可能需要考虑std::bitset 或boost::dynamic_bitset 而不是自己动手。无论如何，避开std::vector<bool>！

【讨论】：

感谢您的警告 ;-) 我在这部分程序中使用的数组大小非常固定（与底层数据结构相反），所以无论如何我都避免使用 std::vector。而 boost 不会简化事情，因为我需要通过 SSE（__m128i 等）访问数据来完成实际工作。

【解决方案5】：

将你需要的字节数作为模板参数的一部分：

template <typename T, int S=1>
struct BitField 
{
   union
   {
      T bits;
      unsigned char bytes[S];
   };
};

typedef Bitfield<BitfieldSmallBase, 1>  BitfieldSmall;
typedef Bitfield<BitfieldLargeBase, 2> BitfieldLarge;

【讨论】：

【解决方案6】：

这个怎么样？

#include <limits.h>

template <class T>
union BitField
{
    T bits;
    unsigned all : sizeof(T) * CHAR_BIT;
};

【讨论】：