在 C 中的位域内格式化联合

Question

我有一个特殊的问题，我有一个 16 位结构。在结构内部，在成员 "x_pos" 之后，根据一些外部标志，接下来的 5 位代表不同的东西。

如果设置了外部标志，则它们是旋转和缩放参数(rotscale_param)，否则高两位是水平和垂直翻转位。

我尝试使用联合来表示此结构，但是当我使用 sizeof(attribute) 时，我希望看到 2 个字节，但结果是 4 个字节。

我的代码：

typedef unsigned short u16;

struct attribute {
    u16 x_pos : 9;
    union {
        u16 rotscale_param : 5;
        struct {
            u16 unused : 3;
            u16 hflip : 1;
            u16 vflip : 1;
            };
    };
    u16 size : 2;
};

如果有帮助，我正在尝试为此结构编写 C 代码：

OBJ Attribute 
  Bit   Expl.
  0-8   X-Coordinate           
  When Rotation/Scaling used:
    9-13  Rotation/Scaling Parameter Selection
  When Rotation/Scaling not used:
    9-11  Not used
    12    Horizontal Flip      
    13    Vertical Flip        
  14-15 OBJ Size

以上引用来源：http://problemkaputt.de/gbatek.htm#lcdobjoamattributes

这是一个可能的解决方案：

typedef struct attr_flag_set {
    u16 x_pos : 9;
    u16 rotscale_param : 5;
    u16 size : 2;
};

typedef struct attr_flag_unset {
    u16 x_pos : 9;
    u16 unused : 3;
    u16 hflip : 1;
    u16 vflip : 1;
    u16 size : 2;
};

union attribute_1 {
    attr_flag_unset attr_unset;
    attr_flag_set attr_set;
};

不过，我不确定这是否是理想的解决方案。

Answer 1

获得正确的包装并不容易。
此外，该标准仅在声明属于同一类型时才允许位打包。
从 ISO/IEC 9899 C99, 6.7.2.1 Structure and union specifiers:

An implementation may allocate any addressable storage unit large enough to hold a bitfield. If enough space remains, a bit-field that immediately follows another bit-field in a structure shall be packed into adjacent bits of the same unit. If insufficient space remains, whether a bit-field that does not fit is put into the next unit or overlaps adjacent units is implementation-defined. The order of allocation of bit-fields within a unit (high-order to low-order or low-order to high-order) is implementation-defined. The alignment of the addressable storage unit is unspecified.

因此，当您在位域声明中插入位域结构时，这违反了规则并保留了另一个 WORD 用于存储。
唯一的解决方法是将声明恢复为 2 个不同结构的联合：

#pragma pack(1)
union attribute
{
    struct
    {
        u16 x_pos : 9;    //See the homogeneous series of declarations
        u16 rotscale_param : 5;
        u16 size : 2;
    } struct1;
    struct
    {
        u16 x_pos  : 9;    //See the homogeneous series of declarations here also
        u16 unused : 3;
        u16 hflip  : 1;
        u16 vflip  : 1;
        u16 size   : 2;
    } struct2;
};

这适用于 C99-C11。
不要忘记指示编译器打包数据。正如 Mah 让我注意到的那样，这可以在大多数编译器上使用 pragma 或在其他编译器上使用特定语法来完成。而且在这种情况下，打包可以是依赖于那些边界线应用程序的编译器。
P.S。还要考虑字节顺序依赖于编译器，但在很大程度上取决于 CPU 字节序，因此，在小端机器上运行良好的代码可能在大端机器上失败。
如果需要完全可移植的代码，最佳做法是使用掩码和移位。

Answer 2

如果您尝试使用 hflip vflip 创建位文件，我认为您打算执行以下操作：

struct attribute {
    u16 x_pos : 9;
    union {
        u16 rotscale_param : 5;
        struct {
            u16 unused : 3,
                hflip  : 1,
                vflip  : 1;
        } hvflip;
    };
    u16 size : 2;
};

您实际使用 unused、hflip 和 vflip 从单个 unsigned short 中创建一个位域 .通过使用 3-complete unsigned shorts 来表示有问题的 5 位，按照另一个答案中所示的方式完全无视位域的 benefit/purpose 。您只需要 1 unsigned-short 来表示 16 位。

这是一个简单的例子：

#include <stdio.h>

typedef unsigned short u16;

struct attribute {
    u16 x_pos : 9;
    union {
        u16 rotscale_param : 5;
        struct {
            u16 unused : 3,
                hflip  : 1,
                vflip  : 1;
        } hvflip;
    };
    u16 size : 2;
};

void binprnpad (const unsigned long v, size_t sz);

int main (void) {

    struct attribute attr = { .x_pos = 0b101010101,
                              .rotscale_param = 0b10101, 
                              .size = 0b10 };

    printf ("\n attr.x_pos (%3hu)          : ", attr.x_pos);
    binprnpad (attr.x_pos, 9);

    printf ("\n attr.rotscale_param (%3hu) : ", attr.rotscale_param);
    binprnpad (attr.rotscale_param, 5);

    printf ("\n attr.hvflip.unused (%3hu)  : ", attr.hvflip.unused);
    binprnpad (attr.hvflip.unused, 3);
    printf ("\n attr.hvflip.hflip (%3hu)   : ", attr.hvflip.hflip);
    binprnpad (attr.hvflip.hflip, 1);
    printf ("\n attr.hvflip.vflip (%3hu)   : ", attr.hvflip.vflip);
    binprnpad (attr.hvflip.vflip, 1);

    printf ("\n attr.size (%3hu)           : ", attr.size);
    binprnpad (attr.size, 2);
    printf ("\n\n");

    return 0;
}

void binprnpad (const unsigned long v, size_t sz)
{
    if (!sz) { fprintf (stderr, "error: invalid sz.\n"); return; }
    if (!v)  { putchar ('0'); return; }

    while (sz--)
        putchar ((v >> sz & 1) ? '1' : '0');
}

输出

$ ./bin/struct_nested_bin

 attr.x_pos (341)          : 101010101
 attr.rotscale_param ( 21) : 10101
 attr.hvflip.unused (  5)  : 101
 attr.hvflip.hflip (  0)   : 0
 attr.hvflip.vflip (  1)   : 1
 attr.size (  2)           : 10

如果您有任何问题，请告诉我。

在 C 中的位域内格式化联合

Formatting Unions inside bitfields in C

c

unions

bit-fields