C 中的位域

Question

我有以下代码：

#include <stdio.h>
struct test 
{
   int x: 2;
   int y: 2;
};
int main()
{
   test t;
   t.x = -1;
   printf("%d", t.x);
   return 0;
}

这段代码打印了 -1 我能理解，

如果相同的代码，%d被替换为 %x 格式说明符，如下所示：

#include <stdio.h>
struct test 
{
   int x: 2;
   int y: 2;
};
int main()
{
   test t;
   t.x = -1;
   printf("%x", t.x);
   return 0;
}

输出变为ffffffff。

请解释为什么会这样。

Answer 1

您的系统（以及几乎所有系统）以 2 的补码形式存储负数。 -1 在 8 位 2 的补码形式中表示为 FFH。

您观察到的是“-1”的符号扩展 2 的补码。

Answer 2

%x 打印给定参数值的十六进制表示。 -1 的二进制补码表示，以十六进制表示，为您提供 ffffffff。

^{FWIW：此结果与此处使用位域变量没有特别关系，因为 printf() 是 variadic function.}

Answer 3

当您将位字段传递给 printf 时，一个参数数量可变的函数，该值会转换为 int。即使该值只有两位，其二进制值 11 在二进制补码表示中表示 -1，因此该值在发送到 -1 时被符号扩展为整数 -1 =11=]。这是 0xffffffff 在 32 位系统上的十六进制表示。

如果您只想看到两位打印为十六进制，请将您的位域设置为无符号。这将确保在打印之前不会执行符号扩展：

#include <stdio.h>
struct test 
{
   unsigned int x: 2;
   unsigned int y: 2;
};
int main()
{
   struct test t;
   t.x = -1;
   printf("%x", t.x);
   return 0;
}

这将打印 3 (demo)。

Answer 4

这与位域本身无关。发生这种情况是因为 C 语言中的一个模糊规则，称为 默认参数提升 :

If the expression that denotes the called function has a type that does not include a prototype, the integer promotions are performed on each argument, and arguments that have type float are promoted to double. These are called the default argument promotions.

（强调我的）这条规则也适用于像 printf 这样的可变参数函数：

The ellipsis notation in a function prototype declarator causes argument type conversion to stop after the last declared parameter. The default argument promotions are performed on trailing arguments.

所以你的位域在 printf 甚至开始解释它之前被提升为类型 int。符号被保留，所以您看到的是包含值 -1 的二进制补码 int 的十六进制表示。

附带说明一下，我根本不建议您使用位域，因为它们的行为未明确指定并且完全不可移植。 See this.

Answer 5

%x表示printf将以十六进制格式输出它的值。现在，问题是为什么 -1 的输出看起来像 ffffffff (0xffffffff)。

1 byte表示8 bits，在十六进制中，4 bits最多可以容纳f。所以 1 byte 可以用十六进制保存 ff 的最大值。

所以，

Bytes       Hex            Bin
1 byte      ff             11111111
4 byte      ff ff ff ff    11111111 11111111 11111111 11111111

现在，-1代表Two's complement，表示是1的负数。

toggle:   00000000 00000000 00000000 00000001 (to fit in 4 byte)
toggle:   11111111 11111111 11111111 11111110
+1    :                                    +1
----------------------------------------------
value :   11111111 11111111 11111111 11111111
hex   :   ff       ff       ff       ff

因此，0xffffffff 是 -1 的补充表示。没有魔法。

C 中的位域

Bit Fields in C

c

int

hex

bit-fields

negative-number