具有别名的可变大小位域

Question

我有一些包含位字段的结构，其大小可能有所不同。示例：

struct BitfieldSmallBase {
    uint8_t a:2;
    uint8_t b:3;
    ....
}

struct BitfieldLargeBase {
    uint8_t a:4;
    uint8_t b:5;
    ....
}

和一个联合一次访问所有位：

template<typename T>
union Bitfield 
{
    T bits;
    uint8_t all;    // <-------------  Here is the problem

    bool operator & (Bitfield<T> x) const {
        return !!(all & x.all);
    }
    Bitfield<T> operator + (Bitfield<T> x) const {
        Bitfield<T> temp;
        temp.all = all + x.all;   //works, because I can assume no overflow will happen
        return temp;
    }
    ....
}

typedef Bitfield<BitfieldSmallBase> BitfieldSmall;
typedef Bitfield<BitfieldLargeBase> BitfieldLarge;

问题是：对于某些位域基类，uint8_t 是不够的。 BitfieldSmall 确实适合 uint8_t，但 BitfieldLarge 则不适合。数据需要尽可能紧密地打包（稍后将由 SSE 指令处理），因此始终使用 uint16_t 是没有问题的。有没有办法用整型声明“all”字段，其大小与位字段相同？或者另一种访问整个位的方法？

我当然可以放弃使用模板并显式声明每种位字段，但我想避免代码重复（有相当多的运算符和成员函数列表）。

Answer 1

您可以使用模板元编程来定义一个模板函数，该函数从 BitfieldSmallBase、BitfieldLargeBase 等映射到另一种类型 - 默认情况下为 uint8_t，并为 BitfieldLargeBase 映射到 uint16_t 作为模板专业化，然后像这样使用它：

union Bitfield 
{
    T bits;
    typename F<T>::holder_type all;
};

Answer 2

您可能需要考虑 std::bitset 或 boost::dynamic_bitset 而不是自己滚动。无论如何，避开std::vector！

Answer 3

将所需的字节数作为模板参数的一部分：

template <typename T, int S=1>
struct BitField 
{
   union
   {
      T bits;
      unsigned char bytes[S];
   };
};

typedef Bitfield<BitfieldSmallBase, 1>  BitfieldSmall;
typedef Bitfield<BitfieldLargeBase, 2> BitfieldLarge;

Answer 4

这个怎么样？

#include <limits.h>

template <class T>
union BitField
{
    T bits;
    unsigned all : sizeof(T) * CHAR_BIT;
};

Answer 5

您也可以将整数类型设置为模板参数。

template<typename T, typename U>
union Bitfield 
{
    T bits;
    U all;
}

typedef Bitfield<BitfieldSmallBase, uint8_t>  BitfieldSmall;
typedef Bitfield<BitfieldLargeBase, uint16_t> BitfieldLarge;

Answer 6

我经历了惨痛的教训，虽然您使用的变量上的位宽度是让编译器为您进行掩码和移位的便捷方法，但您不能对顺序做出假设以及结构中成员的填充。它依赖于编译器，编译器确实改变了顺序，这依赖于项目中的其他代码。

如果你想将一个字节视为离散字段，你真的必须以困难的方式做到这一点。