來自 C++ 中位域的掩碼

Question

這是一個我找不到好的答案的小謎題：

給定一個帶有位域的結構，例如

struct A {
    unsigned foo:13;
    unsigned bar:19;
};

C++ 中是否有一種（可移植的）方法來為其中一個位域獲取正確的掩碼，最好是作為編譯時常量 function 或模板？

像這樣：

constinit unsigned mask = getmask<A::bar>();  // mask should be 0xFFFFE000

理論上，在運行時，我可以粗略地做：

unsigned getmask_bar() {
    union AA {
        unsigned mask;
        A fields;
    } aa{};
    aa.fields.bar -= 1;
    return aa.mask;
}

甚至可以將其包裝在宏中（討厭。）以使其“通用”。

但我想您可以很容易地看出這種方法的各種不足之處。

有更好的通用 C++ 方法嗎？ 或者甚至是一種不太好的方式？ 下一個 C++ 標准有什么有用的東西嗎？ 反射？

編輯：讓我補充一點，我正在嘗試找到一種使位域操作更加靈活的方法，以便程序員可以使用掩碼同時修改多個字段。 我追求簡潔的符號，這樣就可以在沒有大量樣板的情況下簡潔地表達事物。 將在 I/O 驅動程序中使用硬件寄存器作為一個用例。

Answer 1

不幸的是，沒有更好的方法 - 事實上，沒有辦法通過直接在 C++ 中檢查其 memory 從結構中提取單個相鄰位字段。

來自Cppreference ：

位域的以下屬性是實現定義的：

• 通過使用超出范圍的值分配或初始化帶符號的位域，或將帶符號的位域遞增超過其范圍而產生的值。

• class object 中位域的實際分配細節

  • 例如，在某些平台上，位域不跨越字節，而在其他平台上
  • 此外，在某些平台上，位字段是從左到右打包的，在其他平台上是從右到左打包的

你的編譯器可能會給你更強的保證； 但是，如果您確實依賴於特定編譯器的行為，則不能指望您的代碼可以與不同的編譯器/體系結構對一起工作。 據我所知，GCC 甚至沒有記錄它們的位字段打包，而且它因架構而異。 因此，您的代碼可能適用於 x86-64 上特定版本的 GCC，但實際上會破壞其他所有版本，包括同一編譯器的其他版本。

如果您真的希望能夠以通用方式從隨機結構中提取位域，最好的辦法是傳遞一個 function 指針（而不是掩碼）； 這樣，function 就可以安全地訪問該字段並將值返回給它的調用者（或設置一個值）。

像這樣：

template<typename T>
auto extractThatBitField(const void *ptr) {
  return static_cast<const T *>(ptr)->m_thatBitField;
}

auto *extractor1 = &extractThatBitField<Type1>;
auto *extractor2 = &extractThatBitField<Type2>;
/* ... */

現在，如果你有一對{pointer, extractor} ，你可以安全地獲取位域的值。 （當然，提取器 function 必須匹配該指針后面的 object 的類型。）與使用{pointer, mask}對相比，開銷並不大； function 指針可能比 64 位機器上的掩碼大 4 個字節（如果有的話）。 提取器 function 本身將只是一個 memory 加載、一些微調和一個返回指令。 它仍然會非常快。

這是可移植的，並受 C++ 標准支持，這與直接檢查位域的位不同。

或者，C++ 允許在具有共同初始成員的標准布局結構之間進行轉換。 （盡管請記住，一旦 inheritance 或私人/受保護成員參與其中，這就會崩潰，上面的第一個解決方案也適用於所有這些情況。）

struct Common {
  int m_a : 13;
  int m_b : 19;
  int : 0; //Needed to ensure the bit fields end on a byte boundary
};

struct Type1 {
  int m_a : 13;
  int m_b : 19;
  int : 0;
  
  Whatever m_whatever;
};

struct Type2 {
  int m_a : 13;
  int m_b : 19;
  int : 0;
  
  Something m_something;
};

int getFieldA(const void *ptr) {
  //We still can't do type punning directly due
  //to weirdness in various compilers' aliasing resolution.
  //std::memcpy is the official way to do type punning.
  //This won't compile to an actual memcpy call.
  Common tmp;
  std::memcpy(&tmp, ptr, sizeof(Common));
  return tmp.m_a;
}

另請參閱： memcpy 可以用於類型雙關嗎？