С помощью инструкцииshr биты битового поля будут сдвинуты слева направо так, чтобы младший бит битового поля стал младшим битом машинного слова. Результат:
С помощью инструкцииshr биты второго машинного слова будут сдвинуты слева направо так, чтобы младший бит битового поля стал младшим битом машинного слова. С помощью инструкцииshl биты первого машинного слова будут сдвинуты справа налево так, чтобы освободить младшие разряды для бит второго машинного слова (для следующего шага). Результат:
компилятором (при наличии поддержки такой возможности);
процессором (при наличии поддержки такой возможности).
Недостаток: дополнительные команды замедляют выполнение программы. Достоинство: при использовании битовых полей достигается максимально плотная упаковкаинформации.
О компиляторах
Компиляторы, как правило, позволяют выполнять с битовыми полями только следующие операции:
чтение значения из битового поля;
запись значения в битовое поле.
Само битовое поле воспринимается компилятором как число без знака. Порядок расположения битовых полей в структуре данных зависит от архитектуры процессора и реализации компилятора: одни компиляторы размещают битовые поля, начиная с младших битов, а другие — начиная со старших.
Применение
Битовые поля применяются для максимально полной упаковки информации, если не важна скорость доступа к этой информации. Например, для увеличения пропускной способностиканала при передаче информации по сети или для уменьшения размера информации при хранении. Также использование битовых полей оправдано, если процессор поддерживает специализированные инструкции для работы с битовыми полями, а компилятор использует эти инструкции при генерировании машинного кода.
Например, на машинах с 32-битовым словом все поля IPv4-пакета (кроме полей «адрес отправителя» и «адрес получателя») будут битовыми полями, так как их размер не равен 32 битам и их адреса не кратны 4 байтам. Если, в дополнение к этому, процессор поддерживает прямое чтение и запись 8- и 16-битовых чисел, битовыми полями будут только поля «версия», «размер заголовка», «DSCP», «ECN», флаги и «смещение фрагмента».
Операции над многобитовыми полями
Пусть в одном байте находятся четыре битовых поля:
Логический сдвиг двоичного числа эквивалентен умножению/делению на число, кратное степени двойки: 21=2, 22=4, 23=8 и т. д.
Извлечение битового поля
Получить значение v некоторого битового поля числа x можно двумя способами:
v=(x&mask_1)>>offset;
v=(x>>offset)&mask_2.
При первом способе сначала выполняется операция «битовое И», затем — логический сдвиг вправо. При втором способе операции выполняются в обратном порядке. Константаmask_2 может быть получена из константы mask_1: mask_2=mask_1>>offset. offset — номер первого младшего бита битового поля v, показатель степени в формуле (1).
Для получения значения битового поля из числа x первым способом выполняют три операции:
вычисляют «битовую маску» mask_1 — число, у которого в соответствующих битовому полю разрядах установлены единицы, а в остальных разрядах — нули;
Номер бита
7
6
5
4
3
2
1
0
Маска для a
0
0
0
0
0
0
0
1
Маска для b
0
0
0
0
0
0
1
0
Маска для c
0
0
0
0
1
1
0
0
Маска для d
1
1
1
1
0
0
0
0
умножают «битовую маску» на число с помощью операции «битовое И»;
вычисляют «битовую маску» mask_2 — число, у которого в первых n младших разрядах установлены единицы, а остальных разрядах — нули; n — число разрядов битового поля;
Номер бита
7
6
5
4
3
2
1
0
Маска для a
0
0
0
0
0
0
0
1
Маска для b
0
0
0
0
0
0
0
1
Маска для c
0
0
0
0
0
0
1
1
Маска для d
0
0
0
0
1
1
1
1
умножают «битовую маску» на число с помощью операции «битовое И».
Пример получения значения из битового поля c:
c=(x>>2)&00000011b
Для младшего битового поля (поля a в данном примере) логический сдвиг на ноль разрядов не выполняется. Пример: a=(x&00000001b)>>0 a=(x>>0)&00000001b)
a=x&00000001b
При втором способе для старшего поля (поля d в данном примере) логическое умножение не выполняется, так как операция логического сдвига вправо добавляет в число нулевые биты. Пример: d=(x>>4)&00001111b)
d=x>>4
Замена битового поля
Для замены битового поля выполняют три операции:
вычисляют маску — число, у которого в битах, соответствующих битовому полю, установлены нули;
операцией «битовое И» умножают число x на маску; операция выполняет установку нулей в биты, соответствующие маске;
операцией «битовое включающее ИЛИ» складывают полученное произведение и число x, сдвинутое на количество битов, соответствующее смещению битового поля от начала слова.
Пример замены значения для битового поля d:
xnew=(x&00001111b)|(d<<4)
Операции над однобитовыми полями
Для работы с битовыми полями шириной в один бит существуют более простые методы.
Битовые поля a и b занимают по одному биту.
Проверка отдельного бита
Для получения значения отдельного бита выполняют логическое умножение (операцию «битовое И») числа x на маску, у которой установлен один бит, соответствующий биту однобитового поля. Если результат равен 0, бит равен 0.
Пример получения значения однобитового поля b:
b=((x&00000010b)!=0)
Для проверки равенства единице одного или нескольких бит из группы берут маску, у которой в позициях проверяемых бит установлены единицы:
a_or_b=((x&00000011b)!=0)
Для проверки равенства единице всех бит из группы используют «побитовое И» и операцию «==»:
a_and_b=((x&00000011b)==00000011b)
Установка битов
Для установки битов выполняют логическое сложение (операцию «битовое ИЛИ») числа x с маской, у которой в позициях, соответствующих битовому полю, установлены единицы.
Пример установки бита однобитового поля a:
x1=x|00000001b
Для установки нескольких битов числа x, например, битов однобитовых полей a и b, используют маску, у которой в битах, соответствующих битам битовых полей, установлены единицы:
x2=x|00000011b
Снятие битов
Для установки в один или несколько битов нулей число x операцией «битовое И» умножают на маску, у которой в позициях, соответствующих битовому полю, установлены нулевые биты.
Пример установки нулей в биты битового поля b:
x3=x&11111101b
Переключение битов
Для изменения значения битов на противоположное (с 0 на 1 и с 1 на 0) число x операцией «битовое исключающее ИЛИ» складывают с маской, у которой в позициях, соответствующих позициям переключаемых битов, установлены единицы.
Пример изменения значений бит битового поля b:
x4=x^00000010b
Операции над знаковыми полями в дополнительном коде
В памяти компьютера целые отрицательные числа могут кодироваться одним из следующих способов:
Большинство современных процессоров реализуют третий способ.
Рассмотрим двоичное представление нескольких целых чисел в дополнительном коде:
4 = 000001002
3 = 000000112
2 = 000000102
1 = 000000012
0 = 000000002
-1 = 111111112
-2 = 111111102
-3 = 111111012
-4 = 111111002
и т. д.
Пусть поля c и d имеют формат «дополнительный код». Тогда поле c может хранить числа от −2=102 до 1=012, а поле d — от −8=10002 до 7=01112.
Сборка и замена чисел
Каждое из слагаемых (кроме старшего), чтобы оно не испортило более старшие разряды, требуется умножать на битовую маску соответствующей длины. В частности:
x = (d << 4) + ((c & 00000011b) << 2) + (b << 1) + a
Извлечение чисел
Для извлечения чисел требуется сдвинуть поле на нужное количество битов вправо, заодно размножив знаковый бит. Например, для этого можно воспользоваться арифметическим сдвигом. Если x имеет длину 8 битов, то
↑Рэй Лишнер. C++. Справочник = C++ In a Nutshell / гл. ред. Е. Строгонова. — СПб.: Питер, 2003. — С. 193. — 907 с. — 3500 экз. — ISBN 5-94723-928-0, ББК 32.973-018.1я22, УДК 681.3.06(03).