Битовые поля в C и C ++: где они используются?

Question

Битовые поля в C и C ++: где они используются?

0

Я работаю с C и C++ в течение некоторого времени.

Изучая основы, вы можете столкнуться с такими интересными вещами, как бит-поля. Использование бит-полей в практике программирования носит как-то спорный характер.

В каких ситуациях это низкоуровневое использование функций дает реальную пользу, и есть ли конкретные примеры использования полей бит правильно?

Илья Терещук 03 янв. 2014, в 21:01

Источник

1

Попробуйте написать столбчатую базу данных переменного размера.
Elliott Frisch 03 янв. 2014, в 19:41
1

Это немного широко. Но низкоуровневая сериализация в зависимости от платформы может извлечь выгоду из битовых полей, как и большие структуры данных в памяти, кеш-ориентированная работа с памятью и т. Д.
Yakk - Adam Nevraumont 03 янв. 2014, в 19:42
0

@Yakk Они не могут быть использованы для сериализации, потому что так много не определено в отношении того, как они выложены.
James Kanze 03 янв. 2014, в 19:45
2

@JamesKanze Фраза "в зависимости от платформы" важна: неуказанный макет в стандарте не означает, что он не указан вашим компилятором, и многие компиляторы действительно выкладывают их в удобной форме и стабильны между итерациями компилятора.
Yakk - Adam Nevraumont 03 янв. 2014, в 19:46
0

Они могут использоваться во встроенных процессорах для протоколов обмена битами, упаковки данных, отображения для регистрации флагов. Это зависит от знания того, как компилятор упаковывается, так что это зависит от конкретной комбинации компилятор / процессор. Но это вполне приемлемо, когда вы пишете для очень специфического встроенного оборудования.
AShelly 03 янв. 2014, в 19:47
1

@Yakk Некоторые компиляторы (я полагаю) документируют это, но это связывает вас с конкретным компилятором. И большинство компиляторов этого не делают. (Я не нашел такой документации ни в одном из используемых мной компиляторов.)
James Kanze 03 янв. 2014, в 19:48
0

Я редактировал вопрос, пожалуйста, откройте заново, не дайте ему умереть
Ilya Tereschuk 03 янв. 2014, в 19:50
0

@ElliotTereschuk - это редактирование вряд ли заслуживает повторного открытия. Но учтите это - у вас есть МНОГО объектов со свойствами, которые могут быть выражены в нескольких битах, это идеальный сценарий для использования битовых полей. Например, 8 свойств bool займут 8 байтов, если хранятся в bool , но с битовыми полями они будут занимать только 1 байт.
dtech 03 янв. 2014, в 19:55
2

@JamesKanze: Стандарт ISO / IEC C требует , чтобы такие детали реализации были задокументированы. Например, см . Документацию ARM . Если ваш компилятор не документирует это, то нельзя сказать, что он действительно соответствует ISO.
Clifford 03 янв. 2014, в 19:57
0

@ElliotTereschuk Это все еще вопрос опроса. SO стремится ответить на конкретные проблемы, для которых есть решение . Вопрос, как написано, будет иметь много ответов. Это интересно, но текущие стандарты SO говорят "не вопрос, чтобы задать здесь".
Yakk - Adam Nevraumont 03 янв. 2014, в 20:03

Показать ещё 8 комментариев

Теги:

c++

c

design

bit-fields

4 ответа

2

При работе со встроенными системами и микроконтроллерами отдельные биты в регистре могут быть связаны с настройкой процессора или вводом/выводом. Использование битовых полей позволяет обрабатывать эти отдельные биты по имени вместо выполнения побитовых операций по всему регистру.

Это в основном эстетическая функция, но может повысить читаемость кода в некоторых приложениях.

1337 on Tuesdays 03 янв. 2014, в 17:29

0

За исключением того, что они не работают для этого, если ваш компилятор не указывает иначе. (Который, конечно, связывает вас с одним конкретным компилятором. Но большинство встроенных систем в любом случае будут более или менее привязаны к конкретному компилятору.)
James Kanze 03 янв. 2014, в 19:46

1

В дополнение к другим ответам, в некоторых сценариях использование битовых полей может улучшить как использование памяти, так и производительность.

Сохраняйте память, складывая вместе свойства, которые требуют нескольких бит, чтобы выразить диапазон возможных значений. Зачем ставить 8 свойств bool как 8 членов bool, когда один байт дает возможность хранить 8 булевых значений в каждом бите - вместо 8 байтов вы используете только 1, 7 байт, сохраненных довольно значительным. Естественно, вы обычно использовали 32, 64-битные или более широкие битовые поля. У меня есть аналогичный сценарий с множеством объектов с большим количеством свойств, которые могут быть выражены в одном или нескольких битах, а для случаев с большим количеством объектов (в миллионах) экономия памяти действительно значительна.

Увеличьте производительность - хотя битовые поля имеют небольшое ограничение производительности (чтобы получить доступ к фактическому значению при смене и маскировке), эти операции выполняются очень быстро. Упаковка большего количества данных и потерять меньше бит может дать вам лучшую эффективность кеша, что может привести к увеличению производительности, которое больше, чем штраф за доступ к полям бит. Мало того, что доступ к отдельным битам может быть быстрее, чем выбор другой линии из кеша, и более вероятно найти данные в кеше, если они упакованы, но это уменьшит количество кэша, оставив больше доступного пространства для других процессов.

dtech 03 янв. 2014, в 18:08

1

Вероятно, мало пользы для битных полей на современной высокопроизводительной машине, но для небольших машин они могут быть очень полезны для экономии памяти, если у вас большие массивы структур. Однако, помимо экономии памяти, для них нет никакой пользы.

James Kanze 03 янв. 2014, в 18:08

0

Речь идет не только об экономии памяти (на самом деле это, вероятно, один из наименее распространенных видов использования). Регистрация битовых полей для SoC и микроконтроллеров более вероятна. Например, этот заголовок PIC16 широко использует битовые поля, как и заголовки, специфичные для отдельных деталей, для большинства микроконтроллеров и SoC.
Clifford 03 янв. 2014, в 20:10
0

Встроенная сборка все еще распространена на современных процессорах. Например, MATLAB широко использует оптимизацию под конкретные платформы. В некотором коде явно указываются конкретные регистры.
Cloud 03 янв. 2014, в 20:35

Ещё вопросы

Попробуйте написать столбчатую базу данных переменного размера.
Это немного широко. Но низкоуровневая сериализация в зависимости от платформы может извлечь выгоду из битовых полей, как и большие структуры данных в памяти, кеш-ориентированная работа с памятью и т. Д.
@Yakk Они не могут быть использованы для сериализации, потому что так много не определено в отношении того, как они выложены.
@JamesKanze Фраза "в зависимости от платформы" важна: неуказанный макет в стандарте не означает, что он не указан вашим компилятором, и многие компиляторы действительно выкладывают их в удобной форме и стабильны между итерациями компилятора.
Они могут использоваться во встроенных процессорах для протоколов обмена битами, упаковки данных, отображения для регистрации флагов. Это зависит от знания того, как компилятор упаковывается, так что это зависит от конкретной комбинации компилятор / процессор. Но это вполне приемлемо, когда вы пишете для очень специфического встроенного оборудования.
@Yakk Некоторые компиляторы (я полагаю) документируют это, но это связывает вас с конкретным компилятором. И большинство компиляторов этого не делают. (Я не нашел такой документации ни в одном из используемых мной компиляторов.)
Я редактировал вопрос, пожалуйста, откройте заново, не дайте ему умереть
@ElliotTereschuk - это редактирование вряд ли заслуживает повторного открытия. Но учтите это - у вас есть МНОГО объектов со свойствами, которые могут быть выражены в нескольких битах, это идеальный сценарий для использования битовых полей. Например, 8 свойств bool займут 8 байтов, если хранятся в bool , но с битовыми полями они будут занимать только 1 байт.
@JamesKanze: Стандарт ISO / IEC C требует , чтобы такие детали реализации были задокументированы. Например, см . Документацию ARM . Если ваш компилятор не документирует это, то нельзя сказать, что он действительно соответствует ISO.
@ElliotTereschuk Это все еще вопрос опроса. SO стремится ответить на конкретные проблемы, для которых есть решение . Вопрос, как написано, будет иметь много ответов. Это интересно, но текущие стандарты SO говорят "не вопрос, чтобы задать здесь".
За исключением того, что они не работают для этого, если ваш компилятор не указывает иначе. (Который, конечно, связывает вас с одним конкретным компилятором. Но большинство встроенных систем в любом случае будут более или менее привязаны к конкретному компилятору.)
Речь идет не только об экономии памяти (на самом деле это, вероятно, один из наименее распространенных видов использования). Регистрация битовых полей для SoC и микроконтроллеров более вероятна. Например, этот заголовок PIC16 широко использует битовые поля, как и заголовки, специфичные для отдельных деталей, для большинства микроконтроллеров и SoC.
Встроенная сборка все еще распространена на современных процессорах. Например, MATLAB широко использует оптимизацию под конкретные платформы. В некотором коде явно указываются конкретные регистры.

DevNull · Accepted Answer · 2014-01-03T17-37-00.000Z

Существует несколько вариантов использования битных полей, даже на современных машинах.

Первое - это когда вы обрабатываете логику уровня регистра. Это часто встречается при настройке режимов и работе определенных аппаратных средств. Это особенно характерно для встроенных устройств. Например, на устройствах Arduino логика "PinMode" в основном устанавливает отдельные биты с высоким или низким, чтобы указать, находится ли цифровой контакт ввода/вывода в режиме "вход" или "выход".

http://arduino.cc/en/Reference/pinMode

Во-вторых, при написании оптимизированного, встроенного ассемблерного кода в программе C/C++. Бывают случаи, когда вы хотите использовать аппаратные оптимизированные инструкции, чтобы максимально ускорить выполнение программы:

http://www.ibiblio.org/gferg/ldp/GCC-Inline-Assembly-HOWTO.html

Конечным общим примером является при написании драйверов пакетов или реализации определенных протоколов. Недавно я только что разместил вопрос об этом, где оказалось, что я использовал 32-битную переменную вместо 8-битной переменной, состоящей из бит-полей, что вызывало мой разрыв кода:

Основной клиент NTP в Windows на Visual C++

Итак, одним словом: при разговоре напрямую с оборудованием или в сетевом коде.