C++ 中的位域

Question

我有以下自学代码：

#include <iostream>
using namespace std;
struct bitfields{
    unsigned field1: 3;
    unsigned field2: 4;
    unsigned int k:  4;
};

int main(){
    bitfields field;
    field.field1=8;
    field.field2=1e7;
    field.k=18;
    cout<<field.k<<endl;
    cout<<field.field1<<endl;
    cout<<field.field2<<endl;
    return 0;
}

我知道unsigned int k:4表示k是4位宽，或者最大值为15，结果如下。

2
0
1

例如，filed1 可以从 0 到 7（包括在内），field2 和 k 从 0 到 15。为什么会出现这样的结果？也许应该全部为零？

Answer 1

你的领域溢出了。我们以k 为例，它是 4 位宽。正如你所说，它可以保存从 0 到 15 的值，在二进制表示中这是

0  -> 0000
1  -> 0001
2  -> 0010
3  -> 0011
...
14 -> 1110
15 -> 1111

所以当你分配 18 时，有二进制表示

18 -> 1 0010 (space added between 4th and 5th bit for clarity)

k只能保存低四位，所以

k = 0010 = 2.

你的其他领域也一样。

Answer 2

您有这些结果是因为分配溢出了每个位域。

变量filed1 是 3 位，但 8 需要 4 位才能呈现（1000）。低三位全为零，所以filed1为零。

对于filed2，17用10001表示，但filed2只有四位。低四位代表值 1。

最后，对于k，18用10010表示，但k只有四位。低四位代表值 2。

我希望这有助于解决问题。

Answer 3

在 C++ 中，任何 unsigned 类型都会在您达到其上限时回绕 [1]。当您定义一个 4 位的位域时，您存储的每个值也会被环绕。大小为 4 的位域的可能值为 0-15。如果你存储“17”，那么你会换行到“1”，对于“18”，你再去一个到“2”。

从数学上讲，包装后的值是目标类型的可能值的数量取模后的原始值：

对于大小为 4 的位域（2**4 个可能的值）：

18 % 16 == 2
17 % 16 == 1

对于大小为 3 的位域（2**3 个可能的值）：

8 % 8 == 0.

[1] 这对于 signed 类型是不正确的，在这种类型中它是未定义的，然后会发生什么。