Бітове поле

Бітове поле (англ. bit field) — це структура даних, що відображається на один або кілька суміжних бітів, виділених для певних цілей, так що будь-який окремий біт або група бітів у межах цієї структури можуть бути встановлені або перевірені.^[1]^[2] Бітове поле найчастіше використовується для подання цілочислових типів із відомою фіксованою бітовою шириною таких як логічні значення.

Бітові поля відрізняються від бітових масив тим, що в них біти не індексуються цілими числами, і бітові поля цілком поміщаються в машинне слово.

Прикладом бітового поля є регістр стану процесора.

Приклади

C

Бітові поля можна використовувати в структурах мови C та C++.

#include <stdint.h>

// opaque and show
enum Visibility : uint8_t {
    NO = 0,
    YES = 1
};

// line styles
enum LineStyle : uint8_t {
    SOLID = 1,
    DOTTED = 2,
    DASHED = 3
};

// Colors
enum Color : uint8_t {
    BLACK = 0,
    RED = 0b001,
    GREEN = 0b010,
    BLUE = 0b100,
    YELLOW = RED | GREEN, // 011
    MAGENTA = RED | BLUE, // 101
    CYAN = GREEN | BLUE, // 110
    WHITE = RED | GREEN | BLUE // 111
};

const char* colors[8] = {"Black", "Red", "Green", "Yellow", "Blue", "Magenta", "Cyan", "White"};

// bit field box properties
struct BoxProps {
    uint32_t opaque : 1;
    uint32_t fill_color : 3;
    
    [[maybe_unused]]
    uint32_t filler_a : 4; // fill to 8 bits

    uint32_t show_border : 1;
    uint32_t border_color : 3;
    uint32_t border_style : 2;

    [[maybe_unused]]
    uint8_t filler_b : 0; // fill to nearest byte (16 bits)

    uint8_t width : 4; // Split a byte into 2 fields of 4 bits
    uint8_t height : 4;
};

int main() {
    BoxProps my_box = {
        .opaque = YES,
        .fill_color = RED,
        .show_border = YES,
        .border_color = BLUE,
        .border_style = SOLID,
        .width = 5,
        .height = 10
    };
}

Розмішення бітових полів у C struct є залежним від реалізації. Для певного розміщення біт для всіх компіляторів, можна емулювати бітові полі бітовими операціями:

#include <stdint.h>

/**
 * Each of these preprocessor directives defines a single bit,
 * corresponding to one button on the controller.  
 * Button order matches that of the Nintendo Entertainment System.
 */
enum Key : uint8_t {
    KEY_RIGHT = 0b00000001,
    KEY_LEFT = 0b00000010,
    KEY_DOWN = 0b00000100,
    KEY_UP = 0b00001000,
    KEY_START = 0b00010000,
    KEY_SELECT = 0b00100000,
    KEY_B = 0b01000000,
    KEY_A = 0b10000000
};

// global state
uint8_t gameControllerStatus = 0;

// Sets the gameControllerStatus using OR
void onKeyPressed(uint8_t key) { 
    gameControllerStatus |= key;
}

// Clears the gameControllerStatus using AND and ~ (binary NOT)
void onKeyReleased(uint8_t key) { 
    gameControllerStatus &= ~key;
}

// Tests whether a bit is set using AND
uint8_t isPressed(uint8_t key) { 
    return gameControllerStatus & key; 
}

Rust

Rust не має бітових полів, але для подібних операцій можна використати бітові маски.

impl BoxProps {
    // Byte 0
    const OPAQUE: u8 = 0b0000_0001;
    const FILL_COLOR_MASK: u8 = 0b0000_1110;

    // Byte 1
    const SHOW_BORDER: u8 = 0b0000_0001;
    const BORDER_COLOR_MASK: u8 = 0b0000_1110;
    const BORDER_STYLE_MASK: u8 = 0b0011_0000;

    // Byte 2
    const WIDTH_MASK: u8  = 0b0000_1111;
    const HEIGHT_MASK: u8 = 0b1111_0000;
}

impl BoxProps {
    fn opaque(&self) -> bool {
        self.raw[0] & Self::OPAQUE != 0
    }

    fn set_opaque(&mut self, v: bool) {
        self.raw[0] = (self.raw[0] & !Self::OPAQUE) | (v as u8);
    }

    fn fill_color(&self) -> u8 {
        (self.raw[0] & Self::FILL_COLOR_MASK) >> 1
    }

    fn set_fill_color(&mut self, v: u8) {
        self.raw[0] =
            (self.raw[0] & !Self::FILL_COLOR_MASK) | ((v & 0b111) << 1);
    }

    fn width(&self) -> u8 {
        self.raw[2] & Self::WIDTH_MASK
    }

    fn height(&self) -> u8 {
        (self.raw[2] & Self::HEIGHT_MASK) >> 4
    }
}

Див. також

Примітки

↑ Penn Brumm; Don Brumm (Серпень 1988). 80386 Assembly Language: A Complete Tutorial and Subroutine Library. McGraw-Hill School Education Group. с. 606. ISBN 978-0-8306-9047-3.
↑ Steve Oualline (1997). Practical C Programming. O'Reilly Media, Inc. с. 403–. ISBN 978-1-56592-306-5.

Посилання

Explanation from a book
Description from another wiki
Use case in a C++ guide
C++ libbit bit library (alternative URL)
Bit Twiddling Hacks: Several snippets of C code manipulating bit fields

[BrummBrumm1988-1] Penn Brumm; Don Brumm (Серпень 1988). 80386 Assembly Language: A Complete Tutorial and Subroutine Library. McGraw-Hill School Education Group. с. 606. ISBN 978-0-8306-9047-3.

[Oualline1997-2] Steve Oualline (1997). Practical C Programming. O'Reilly Media, Inc. с. 403–. ISBN 978-1-56592-306-5.

[1]

[2]