Битовые поля

Цель лекции: изучить понятие, объявление и размещение в памяти битовых полей, доступ к битовым полям структуры или объединения и научиться решать задачи с использованием битовых полей на языке C++.

В отличие от других языков программирования С++ имеет структуру, называемую битовыми полями (полями битов), которая позволяет работать с отдельными битами. Битовое поле – это особый компонент структуры, определяющий длину отдельного ее элемента. Битовые поля полезны по нескольким причинам.

• Если ограничено место для хранения информации, можно сохранить несколько логических переменных в одном байте.
• Некоторые интерфейсы устройств передают информацию, закодировав биты в один байт.
• Некоторым процессам кодирования необходимо получить доступ к отдельным битам в байте.

Хотя все эти функции могут выполняться с помощью битовых операторов, битовые поля могут внести большую ясность в программу. Метод использования битовых полей для доступа к битам основан на структурах.

Битовое поле – это элемент структуры, определенный как некоторое число битов, обычно меньшее, чем число битов в целом числе (оно по величине не превосходит машинного слова и зависит от реализации компилятора). Они предназначены для экономного размещения в памяти данных небольшого диапазона, обеспечивают удобный доступ к отдельным битам данных. Кроме того, с помощью битовых полей можно формировать объекты с длиной внутреннего представления, не кратной байту.

Битовые поля обычно применяются в низкоуровневом программировании.

Объявление битовых полей

Элементом структуры может быть битовое поле, обеспечивающее доступ к отдельным битам памяти. Вне структур или объединений битовые поля объявлять нельзя. Нельзя также организовывать массивы битовых полей и нельзя применять к полям операцию определения адреса или получить ссылку на них.

Синтаксис объявления типа структуры с битовыми полями:

struct [ИмяСтруктуры] { Тип1 ИмяПоля1 : ШиринаПоля1
                        Тип2 ИмяПоля2 : ШиринаПоля2
                        ........................
                        ТипN ИмяПоляN : ШиринаПоляN
                      } ИмяСтруктуры;

где struct – спецификатор типа;

ИмяСтруктуры – идентификатор;

Тип1, ... ТипN – тип поля, который может быть только int, возможно, со спецификатором unsigned или signed ;

ШиринаПоля (длина) – целое неотрицательное десятичное число, значение которого обычно (в зависимости от реализации компилятора) не должно превышать длины машинного слова.

Например:

struct {
        int c1 : 4; 
        int c2 : 12; 
       } ab;

Битовые поля длиной 1 должны объявляться как unsigned, поскольку 1 бит не может иметь знака. Битовые поля могут иметь длину от 1 до 16 бит для 16-битных сред и от 1 до 32 бит для 32-битных сред.

Разрешается поле без имени (для этого надо указать только двоеточие и ширину), с помощью которого в структуру вводятся неиспользуемые биты (промежуток между значимыми полями). Нулевая ширина поля вводится, когда необходимо, чтобы следующее в данной структуре поле разместилось с начала очередного машинного слова.

Например, если нам нужны только биты cts и dsr, то можно объявить структуру status_type следующим образом:

struct status_type {
                    unsigned : 4; 
                    unsigned cts :1; 
                    unsigned dsr :4; 
                   } status;

В структуре можно смешивать "обычные" элементы с битовыми полями.

Например:

struct emp {
            struct addr address;
            float pay;
            unsigned lay_off: 1; //работает или нет
            unsigned hourly: 1;//почасовая оплата или оклад
            unsigned deductions : 3; //удержание налога
           };

Эта структура определяет запись по каждому служащему, в которой используется только один байт для хранения трех элементов информации: статус служащего, характер оплаты его труда и налоговая ставка. Без использования битовых полей для хранения этой информации пришлось бы занять несколько байтов.

Вместо служебного слова struct можно употреблять union. В этом случае определяется объединение с битовыми полями. Битовые поля в объединениях используются для доступа к нужным битам того или иного объекта, входящего в объединение.

Пример 1. В программе объединение позволяет сформировать код символа 'D' (равный 68):

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
using namespace std;
union { char simb;
        struct { int x:5;
                 int y:3;
               } hh;
      } cod;  
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {
  cod.hh.x = 4;
  cod.hh.y = 2;
  cout << cod.simb; // выводит на экран символ 'D'
  system("pause");
  return 0;
}

Доступ к элементам структур с битовыми полями

Для обращения к битовым полям используются те же конструкции, что и для обращения к обычным элементам структур:

ИмяСтруктуры.ИмяПоля
(* УказательНаСтруктуру). ИмяПоля
УказательНаСтруктуру -> ИмяПоля

Например, для структуры xx с битовыми полями:

struct {
        int a : 10; 
        int b : 14; 
       } xx;

правомочны следующие операторы:

xx.a=1;
xx.b=48;
xx.a=xx.b=0;