6.9. Битовые поля

При дефиците памяти может возникнуть необходимость запаковать несколько объектов в одно слово машины. Одна из обычных ситуаций, встречающаяся в задачах обработки таблиц символов для компиляторов, — это объединение групп однобитовых флажков. Форматы некоторых данных могут от нас вообще не зависеть и диктоваться, например, интерфейсами с аппаратурой внешних устройств; здесь также возникает потребность адресоваться к частям слова.

Вообразим себе фрагмент компилятора, который заведует таблицей символов. Каждый идентификатор программы имеет некоторую связанную с ним информацию: например, представляет ли он собой ключевое слово или, если это переменная, к какому классу принадлежит: внешняя, статическая и т.д. Самый компактный способ кодирования такой информации — расположить однобитовые флажки в одном слове типа char или int.

Один из распространенных приемов работы с битами основан на определении набора «масок», соответствующих позициям этих битов, например:

  #define KEYWORD  01 /* ключевое слово */
  #define EXTERNAL 02 /* внешний объект */
  #define STATIC   04 /* статический объект */

или

  enum { KEYWORD = 01, EXTERNAL = 02, STATIC = 04 };

Числа должны быть степенями двойки. Тогда доступ к битам становится делом порязрядных операций, описанных в главе 2 (сдвиг, маскирование, инвертирование).

Некоторые виды записи выражений встречаются довольно часто. Так

    flags |= EXTERNAL | STATIC;

устанавливает 1 в соответствующих битах переменной flags,

    flags &= ~(EXTERNAL | STATIC);

обнуляет их, а

    if ((flags & (EXTERNAL | STATIC)) == 0) ...

оценивает условие как истинное, если оба бита нулевые.

Хотя научиться писать такого рода выражения не составляет труда, вместо поразрядных логических операций можно пользоваться предоставляемым Си другим способом прямого определения и доступа к полям внутри слова. Битовое поле (или для краткости просто поле) — это некоторое множество битов,лежащих рядом внутри одной, зависящей от реализации единицы памяти, которую мы будем называть «словом». Синтаксис определения полей и доступа к ним базируется на синтаксисе структур. Например, строки #define, фигурировавшие выше при задании таблицы символов, можно заменить на определение трех полей:

  struct {
      unsigned int is_keyword : 1;
      unsigned int is_extern : 1;
      unsigned int is_static : 1;
  } flags;

Эта запись определяет переменную flags, которая содержит три однобитовых поля. Число, следующее за двоеточием, задает ширину поля. Поля объявлены как unsigned int, чтобы они воспринимались как беззнаковые величины.

На отдельные поля ссылаются так же, как и на элементы обычных структур: flags.is_keyword, flags.is_extern и т.д. Поля могут участвовать в арифметических выражениях точно так же, как и другие целые числа. Таким образом, предыдущие примеры можно написать более естественно:

  flags.is_extern = flags.is_static = 1;

устанавливает 1 в соответствующих битах;

  flags.is_extern = flags.is_static = 0;

их обнуляет, а

  if (flags.is_extern == 0 && flags.is_static == 0)
      ...

проверяет их.

Почти все технические детали, касающиеся полей, в частности, возможность поля перейти границу слова, зависят от реализации. Поля могут не иметь имени; с помощью безымянного поля (задаваемого только двоеточием и шириной) организуется пропуск нужного количества разрядов. Особая ширина, равная нулю, используется, когда требуется выйти на границу следующего слова.

На одних машинах поля размещаются слева направо, на других — справа налево. Это значит, что при всей полезности работы с ними, если формат данных, с которыми мы имеем дело, дан нам свыше, то необходимо самым тщательным образом исследовать порядок расположения полей. Программы, зависящие от такого рода вещей, не переносимы. Поля можно определять только с типом int, а для того, чтобы обеспечить переносимость, надо явно указывать signed или unsigned. Они не могут быть массивами и не имеют адресов, и, следовательно, операция & к ним не применима.