无符号整数中的填充位和C89中的按位运算

Question

我有很多代码对无符号整数执行按位运算。 我编写了我的代码，假设这些操作是在固定宽度的整数上，没有任何填充位。 例如，一个32位无符号整数数组，其中每个整数都有32位可用。

我希望让我的代码更具可移植性，并且我专注于确保我符合C89 （在这种情况下）。 我遇到的一个问题是填充整数。 拿这个极端的例子，取自GMP手册 ：

然而，在Cray矢量系统上，可以注意到short和int总是以8个字节存储（并且sizeof指示），但仅使用32或46位。 指甲功能可以通过传递例如8*sizeof(int)-INT_BIT 。

我也在其他地方读过这种类型的填充。 我昨晚真的在SO上看了一篇文章（请原谅我，我没有链接，我要引用类似记忆的东西），如果你有一个带有60个可用位的双重，另外4个可以用于填充和那些填充位可以用于某些内部目的，因此它们不能被修改。

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因此，假设我的代码是在一个平台上编译的，其中unsigned int类型的大小为4个字节，每个字节为8位，但最重要的2位是填充位。 将UINT_MAX在这种情况下是0x3FFFFFFF（1073741823）？

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

/* padding bits represented by underscores */
int main( int argc, char **argv )
{
    unsigned int a = 0x2AAAAAAA; /* __101010101010101010101010101010 */
    unsigned int b = 0x15555555; /* __010101010101010101010101010101 */
    unsigned int c = a ^ b; /* ?? __111111111111111111111111111111 */
    unsigned int d = c << 5; /* ??  __111111111111111111111111100000 */
    unsigned int e = d >> 5; /* ?? __000001111111111111111111111111 */

    printf( "a: %X\nb: %X\nc: %X\nd: %X\ne: %X\n", a, b, c, d, e );
    return 0;
}

• 使用填充位XOR两个整数是否安全？
• 不管填充位是什么，我不会XOR吗？

我找不到C89中涵盖的这种行为。

此外在c变量保证是0x3FFFFFFF或如果例如两个填充比特在一个都是上或b将c是0xFFFFFFFF ？

与d和e相同的问题。 我是通过移动来操纵填充位吗？ 我希望在下面看到这一点，假设32位，其中2位最高位用于填充，但我想知道这样的事情是否有保证：

a: 2AAAAAAA
b: 15555555
c: 3FFFFFFF
d: 3FFFFFE0
e: 01FFFFFF

填充位总是最高位还是最低位？

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编辑12/19/2010美国东部时间下午5点 ：Christoph回答了我的问题。 谢谢！
我还问过（上面）填充位是否总是最重要的位。 这在C99标准的基本原理中引用，答案是否定的。 我正在玩它安全并假设C89相同。 以下是C99基本原理对§6.2.6.2（整数类型表示）的说法：

填充位是用户可访问的无符号整数类型。 例如，假设一台机器使用一对16位短路（每个都有自己的符号位）来构成一个32位的int，而在这个32位的int中使用时，忽略了short short的符号位。 然后，作为32位有符号整数，在确定32位有符号int的值时会忽略一个填充位（在32位的中间）。 但是，如果将此32位项目视为32位无符号整数，则该填充位对用户程序可见。 C委员会被告知有一台机器以这种方式工作，这就是填充位被添加到C99的一个原因。

脚注44和45提到奇偶校验位可能是填充位。 委员会不知道任何具有用户可访问的奇偶校验位的机器在整数内。 因此，委员会不知道任何将奇偶校验位视为填充位的机器。

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编辑12/28/2010美国东部时间下午3点 ：几个月前我在comp.lang.c上发现了一个有趣的讨论。

• 填充位上的按位运算符效果（VelocityReviews阅读器）
• 填充位的按位运算符效果（Google网上论坛备用链接）

Dietmar提出的一点我感兴趣：

让我们注意，填充位不是存在陷阱表示所必需的; 不表示对象类型值的值位组合也可以。

Answer 1

按位运算（如算术运算）对值进行操作并忽略填充。 实现可能会也可能不会修改填充位（或在内部使用它们，例如作为奇偶校验位），但便携式C代码将永远无法检测到这一点。 任何值（包括UINT_MAX ）都不包括填充。

如果您使用sizeof (int) * CHAR_BIT ，然后尝试使用shift来访问所有这些位，那么整数填充可能会导致问题。 如果你想要是可移植的，要么只使用（ unsigned ） char ，固定大小的整数（添加C99），要么以编程方式确定值位数。 这可以在编译时使用预处理器通过比较UINT_MAX与2的幂或在运行时通过使用位操作来完成。

编辑：

C90根本没有提到整数填充，但据我所知，“隐形”前置或尾随整数填充位不应违反标准（我没有通过所有相关部分来确保这是真的情况虽然）; probaby是C99基本原理中提到的混合填充和值位的问题，因为否则，标准就不需要改变了。

至于用户可访问的含义：填充位是可访问的，只要你可以通过在((unsigned char *)&foo)[…]上使用位操作来获取foo （包括填充）的任何位。 但是在修改填充位时要小心：结果不会改变整数的值，但可能会创建陷阱表示。 在C90的情况下，这是隐式未指定的（如未提及的那样），在C99的情况下，它是实现定义的。

然而，这不是基本原理引用的内容：引用的体系结构通过两个16位整数表示32位整数。 在无符号类型的情况下，结果整数具有32个值位并且精度为32; 在有符号整数的情况下，它只有31个值位且精度为30：16位整数的符号位之一用作32位整数的符号位，另一个被忽略，从而创建由值位包围的填充位。 现在，如果您将32位有符号整数作为无符号整数（明确允许并且不违反C99别名规则）访问，则填充位将成为（用户可访问的）值位。