3.5. Битовые поля

Стандарт C99, который часто является основой языка С++, позволяет описывать данные на уровне битов. Это достигается путем использования битовых полей, представляющие собой переменные типов signed или unsigned int, у которых используются лишь несколько бит для хранения данных. Такие переменные обычно записываются в структуру и единую последовательность бит. Рассмотрим пример, в котором задается структура flags, внутри которой задано 8 битовых полей:

struct { unsigned int first : 1; unsigned int second : 1; unsigned int third : 1; unsigned int forth : 1; unsigned int fifth : 1; unsigned int sixth : 1; unsigned int sevnth : 1; unsigned int eighth : 1; } flags;

Теперь, для определения того или иного бита переменной flags достаточно воспользоваться операцией

flags.first = 1; flags.third = 1;

В этом случае будут установлены первый и третий биты, а остальные равны нулю, что соответствует числу 5. Данное значение можно отобразить, воспользовавшись функцией printf():

printf(“flags = %d.\n”,flags);

но переменной flags нельзя присваивать значения как обычной переменной, т.е. следующий программный код будет неверным:

flags = 5; //неверно, так нельзя

Также нельзя присваивать значение flags переменным, например, следующая запись приведет к сообщению об ошибке:

int var = flags; //ошибка, структуру нельзя присваивать переменной

Так как поля first,…, eighth могут содержать только один бит информации, то они принимают значения 0 или 1 для типа unsigned int и 0 и -1 - для типа signed int. Если полю присваивается значение за пределами этого диапазона, то оно выбирает первый бит из присваиваемого числа.

В общем случае можно задавать любое число бит для описания полей, например

struct { unsigned int code1 : 2; unsigned int code2 : 2; unsigned int code3 : 8; } prcode;

Здесь создается два двух битовых поля и одно восьмибитовое. В результате возможны следующие операции присваивания:

prcode.code1 = 0; prcode.code2 = 3; prcode.code3 = 128;

Структуры flags и prcode удобно использовать в условных операторах if и switch. Рассмотрим пример использования структуры битовых полей для описания свойств окна пользовательского интерфейса.

struct tag_window { unsigned int show : 1 //показать или скрыть unsigned int style : 3 //WS_BORDER, WS_CAPTION, WS_DLGFRAME unsigned int color : 3 //RED, GREEN, BLUE } window;

Определим следующие константы:

#define WS_BORDER 1 //001 #define WS_CAPTION 2 //010 #define WS_DLGFRAME 4 //100 #define RED 1 #define GREEN 2 #define BLUE 4 #define SW_SHOW 0 #define SW_HIDE 1

Пример инициализации структуры битовых полей

window.show = SW_SHOW; window.style = WS_BORDER | WS_CAPTION; window.color = RED | GREEN | BLUE; //белый цвет

Еще одним важным типом представления данных являются объединения. Это тип данных, который позволяет хранить различные типы данных в одной и той же области памяти (начиная с одного и того же адреса в памяти). Объединение задается с помощью ключевого слова union подобно структуре. Покажем особенность применения объединений на примере хранения данных, которые могут быть и вещественными и целыми или представлять собой символ. Так как наперед неизвестно какой тип данных требуется сохранять, то в объединении необходимо задать три поля:

union tag_value { int var_i; double var_f; char var_ch; };

Данное объединение будет занимать в памяти 8 байт, ровно столько, сколько занимает переменная самого большого объема, в данном случае var_f типа double. Все остальные переменные var_i и var_ch будут находиться в той же области памяти, что и переменная var_f. Благодаря такому подходу происходит экономия памяти, но платой за это является возможность хранения значения только одной переменной из трех в определенный момент времени. Как видно из постановки задачи такое ограничение не будет влиять на работоспособность программы. Если бы вместо объединения использовалась структура tag_value, то можно было бы сохранять значения всех трех переменных одновременно, но при этом требовалось бы больше памяти.

Для того чтобы программа «знала» какой тип переменной содержит объединение tag_value, необходимо ввести переменную, значение которой будет указывать номер используемой переменной: 0 – var_i, 1 – var_f и 2 – var_ch. Причем эту переменную удобно представить с объединением в виде структуры следующим образом:

struct tag_var { union tag_value value; short type_var; };

Таким образом, получаем следующий алгоритм записи разнородной информации в объединение tag_value.

Листинг 3.10. Пример использования объединений. int main() { struct tag_var var[3]; var[0].type_var = 0; var[0].value.var_i = 10; var[1].type_var = 1; var[1].value.var_f = 2.3; var[2].type_var = 2; var[2].value.var_ch = ‘d’; for(int i = 0;i < 3;i++) { switch(var[i].type_var) { case 0:printf(“var = %d\n”,var[i].value.var_i);break; case 1:printf(“var = %f\n”,var[i].value.var_f);break; case 2:printf(“var = %c\n”,var[i].value.var_ch);break; default: printf(“Значение переменной не определено\n”); } } return 0; }

Как видно из примера объединение tag_value позволяет эффективно, с точки зрения объема памяти, сохранять переменные разного типа. Выигрыш в объеме памяти для данного случая незначителен около 9-15 байт (в зависимости от стандарта языка С), но если бы таких переменных было 1000 и более, то выигрыш был бы ощутимым. В этом и заключается особенность объединений – экономия памяти при хранении данных.