Битовые поля структур в С++

В языке С++ есть возможность задавать элементам структур определённое количество памяти в битах. Например, если необходимо создать структуру данных, соответствующую размеру регистра в каком-либо устройстве. Типом элемента (его называют битовым полем) такой структуры может быть целочисленное (чаще всего типа unsigned) или перечислимое (enum).

Синтаксически битовое поле в структуре определяется следующим образом:
Например:

struct fieldbite
{
	unsigned short first : 2;
	unsigned short second: 2;
	unsigned short third : 4;
} field;

struct fieldbite

{

unsigned short first : 2;

unsigned short second: 2;

unsigned short third : 4;

} field;

Мы определили структуру, в которой переменные будут занимать указанное количество бит. 2 + 2 + 4 дает 8 бит (мы выровняли до размера байта). Если в эту структуру дописать еще unsigned short fifth : 5; – уже будет задействовано 2 байта. Во втором байте естественно будет мусор 8 – 5 = 3 бита, которые будут невостребованными.

В отличии от объединений (union) размер битовых полей варьируется, в зависимости от того, сколько бит программист заказал. Если заказано 7 бит (скажем две переменные по 3 бита, и одна – 1 бит), то С++ отведет один байт (8 бит) под эти три переменные.

Если программист закажет 11 бит, то С++ отведет два байта (16 бит). Причем во втором байте будут задействованы только 5 бит, а остальные скорее всего будут, как бесполезный хвост. Поэтому при описании битовых полей следует учитывать такое “выравнивание” до байта. Т.е. распределять в нем переменные так, чтоб каждый бит был востребован. Для выравнивания занимаемой памяти можно использовать неименованные битовые поля.

Приведем еще один короткий пример, в котором битовые поля отводятся под дату и время для демонстрации этой технологии.

#include <iostream>
using namespace std;

struct DateTime //Опишем структуру с битовыми полями
{
	unsigned short Day : 5;   //5 бит для дня
	unsigned short Month : 4; //4 для месяца
	unsigned short Year : 7;  //7 для года от 0 до 99
	unsigned short Hour : 5;  //5 бит для 24-х часов
	unsigned short Minute : 6;//6 для минут
	unsigned short Second : 6;//6 для секунд
};

int main()
{	
	DateTime d; //объявляем переменную этого типа с битовыми полями
	int i;      //И еще одну, в которую будет поступать ввод данных

	//Введем дату
	cout << "Input day (1-31):" << '\t'; cin >> i; d.Day = i;
	cout << "Input month (1-12):" << '\t'; cin >> i; d.Month = i;
	cout << "Input Year (00-99) :" << '\t'; cin >> i; d.Year = i;

	//Введем время
	cout << endl << "Input Hour (0-24):" << '\t'; cin >> i; d.Hour = i;
	cout << "Input Minute (0-60):" << '\t'; cin >> i; d.Minute = i;
	cout << "Input Seconds (0-60):" << '\t'; cin >> i; d.Second = i;

	//И выведем их с показателем размера в памяти
	cout << endl << "Date is: " << d.Day << "." << d.Month << ".20" << d.Year << " ";
	cout << d.Hour << ":" << d.Minute << ":" << d.Second << endl;
	cout << sizeof(d) << endl;
}

#include <iostream>

using namespace std;

struct DateTime //Опишем структуру с битовыми полями

{

unsigned short Day : 5; //5 бит для дня

unsigned short Month : 4; //4 для месяца

unsigned short Year : 7; //7 для года от 0 до 99

unsigned short Hour : 5; //5 бит для 24-х часов

unsigned short Minute : 6;//6 для минут

unsigned short Second : 6;//6 для секунд

};

int main()

{

DateTime d; //объявляем переменную этого типа с битовыми полями

int i; //И еще одну, в которую будет поступать ввод данных

//Введем дату

cout << "Input day (1-31):" << '\t'; cin >> i; d.Day = i;

cout << "Input month (1-12):" << '\t'; cin >> i; d.Month = i;

cout << "Input Year (00-99) :" << '\t'; cin >> i; d.Year = i;

//Введем время

cout << endl << "Input Hour (0-24):" << '\t'; cin >> i; d.Hour = i;

cout << "Input Minute (0-60):" << '\t'; cin >> i; d.Minute = i;

cout << "Input Seconds (0-60):" << '\t'; cin >> i; d.Second = i;

//И выведем их с показателем размера в памяти

cout << endl << "Date is: " << d.Day << "." << d.Month << ".20" << d.Year << " ";

cout << d.Hour << ":" << d.Minute << ":" << d.Second << endl;

cout << sizeof(d) << endl;

}

Результат:

Как видите, битовые поля хранят дату и время. Занимает эта структура 6 байт, хотя для неё хватит и пяти. И на то есть свои причины: сам компилятор может выравнивать отводимую память до четного числа байтов.

Например если мы заказали 18 бит, компилятор отведет нам не 3 байта, а 4, учитывая что процессор любит работать с байтами, а не с битами. По крайней мере хранить в памяти или своих регистрах процессор предпочитает не биты, а именно байты. Согласно его разрядности: x32 хранят 4 байта, x64 уже 8 байт. Пусть даже из этих байт работа идет только с одним из них, остальные все равно будут подтягиваться.

Небольшой итог: Битовые поля в структурах обычно используются в низкоуровневом программировании, когда работа идет со значениями, способными занимать не байты, а отдельные биты (ввиду того, что значения небольшие).

3 thoughts on “Битовые поля в С++”

Григорий:
17.04.2019 в 22:18
Дезинформируете людей. Размер
{
unsigned short first : 2;
unsigned short second: 2;
unsigned short third : 4;
} равен не 1 байту, а 2
Ответить
1. Георгий:
  16.07.2019 в 12:27
  2+2+4 = 8бит, 8бит = 1 байту Привет, я у мамки программист?))
  Ответить
  1. Графиний:
    17.07.2019 в 22:41
    Нет, он всё верно сказал, 2 байта.
    Если поставить unsigned char, то один байт, но вот сейчас два. Поверь в любой ide.
    А если int, то 4; и аналогично для восмибайтовых.
    struct test{
    unsigned long long first : 64;
    unsigned char second: 8;
    }; – имеет размер в 16 байт вместо ожидаемых тобой 9.
    Он выравнивает по размеру типа максимального размера, по видимому.