c++ - C++ 中的 union 和按位运算

Question

我在源代码中看到了如下结构。

template<unsigned bitno, unsigned nbits = 1, typename T = u8>
struct RegBit
{
    T data;
    enum { mask = (1u << nbits) - 1u };
    template<typename T2>
    RegBit& operator=(T2 val)
    {
        data = (data & ~(mask << bitno)) | ((nbits > 1 ? val & mask : !!val) << bitno);
        return *this;
    }
    operator unsigned() const { return (data >> bitno) & mask; }
};

union {
    u8 raw;
    RegBit<0> r0;
    RegBit<1> r1;
    RegBit<2> r2;
    RegBit<3> r3;
    RegBit<6> r6;
    RegBit<7> r7;
} P;

第一次阅读后，我发现类型为 RegBit 的对象的 unsigned 转换将返回位数 bitno + 1 数据。

但是，我不明白如何处理 = 重载运算符。我的意思是我理解语法，但不理解按位运算的含义。

最后，如果您运行代码并影响 P.raw 的值，您会注意到 ∀ i ∈ [0;7]，P。 ri.data = P.raw。

这怎么可能？ 当然，代码会做它应该做的事情，即:∀ i ∈ [0;7]，(unsigned)P.ri 是第 (i+1) 位P.raw 的。

Answer 1

operator= 是如何工作的？

当您编写 P.r2 = 1; 时，将调用 r2 成员的赋值运算符。所以它会产生 P.r2.operator= (1); 的效果，返回对 P.r2 的引用。

让我们分析一下专用模板中的赋值细节，其中bitno=2，nbits=1 和T 为u8:

mask = (1u << nbits) - 1u   
     = (1 shifted by 1 bits, aka binary 10) - 1
     = binary 1  (i.e.  it's a binary number with the n lowest bits set)

让我们逐步分析完整的表达式。首先是左边部分:

mask << bitno ===> binary 100
~(mask << bitno)  ===> binary 1..1011  (aka the bit bitno is set to 0, counting from least significant bit) 
(data & ~(mask << bitno))  ===> the bit bitno is set to 0 in data (thanks to the bitwise &)  

现在表达式的右边部分:

(nbits > 1 ? val & mask : !!val) is a conditional operator:  
   if nbits >1 is true, then it's val&mask, aka the n lowest bits of val
   if not, then it's !!val, aka "not not val" which evalauates to 0 if val is 0 and 1 if val is not 0.  
In our case, it's the second alternative so 0 or 1 depending on val.  
((nbits > 1 ? val & mask : !!val) << bitno)  then shifts the 0 or the 1 by 2 bits.  

现在终于把所有这些结合起来了:

data = (data & ~(mask << bitno)) | ((nbits > 1 ? val & mask : !!val) << bitno);

      = (data with the bit bitno set to 0) ored with (val expressed on one bit in the bit bitno, counting from the least significant )

另外说明，作为位值 0 与位值 x 的或运算结果为位值 x，此表达式将位 bitno 设置为 val(将 val 作为 bool 处理)。

但是 union 应该做什么呢？

union 在相同的内存位置处理它的所有成员(它们都是相同类型的 u8)。

那么根据您的预期，以下输出是什么:

P.raw=0; 
P.r2=1; 
P.r3=0;  
P.r4=1;  
cout << (int)P.raw <<endl;  

编写您的代码片段的乐观主义者当然期望结果为 20(又名二进制 10100)。这可能在许多编译器上都是这样工作的。但实际上，根据标准，这是绝对不能保证的:

9.5/1: In a union, at most one of the non-static data members can be active at any time, that is, the value of at most one of the non-static data members can be stored in a union at any time.

另外说明，如果您将某些内容存储在 r2 中，您不确定是否会在 r4 中找到相同的值。唯一可以肯定的是，如果你在 r2 中存储了一些东西并且没有在其他成员中存储任何其他东西，你将在 r2 中找到你存储在那里的东西。

union 的替代方案

如果您需要确保便携性，您可以考虑使用 std::bitset或标准 bitfields .