c - 如何以 C 标准方式进行位表示？

Question

根据 C 标准，整数类型的值表示是实现定义的。所以5可能不会表示为 00000000000000000000000000000101或 -1作为11111111111111111111111111111111正如我们通常假设的 32 位 2 的补码。所以即使运营商~ , <<和 >>定义明确，他们将处理的位模式是实现定义的。我能找到的唯一定义的位模式是 "§5.2.1/3 所有位都设置为 0 的字节，称为空字符，应存在于基本执行字符集中；它用于终止字符串”。

所以我的问题是 - 是否有独立于实现的方法将整数类型转换为位模式？

我们总是可以从一个空字符开始，并对其进行足够的位操作以使其达到所需的值，但我觉得这太麻烦了。我还意识到实际上所有实现都将使用 2 的补码表示，但我想知道如何以纯 C 标准方式进行。就我个人而言，由于设备驱动程序编程的问题，我觉得这个主题非常有趣，到目前为止编写的所有代码都假设了一个特定的实现。

Answer 1

一般来说，在大多数情况下适应不寻常的平台并不(如果您不想简单地假设 8 位 char，2 的补码，无填充、无陷阱和截断无符号到有符号的转换)，该标准主要提供足够的保证(不过，一些宏来检查某些实现细节会有所帮助)。

就严格遵守程序可以观察到的(位域之外)而言，5 始终编码为 00...0101。这不一定是物理表示(无论这应该意味着什么)，而是可移植代码可以观察到的东西。例如，内部使用格雷码的机器必须为按位运算符和移位模拟“纯二进制表示法”。

对于有符号类型的负值，允许使用不同的编码，这会在重新解释为相应的无符号类型时导致不同(但对每种情况都有明确定义)的结果。例如，对于有符号整数 n，严格遵守代码必须区分 (unsigned)n 和 *(unsigned *)&n:它们相等对于没有填充位的二进制补码，但如果 n 为负数，则对于其他编码则不同。

此外，可能存在填充位，并且有符号整数类型可能比相应的无符号整数类型具有更多的填充位(但反之则不然，从有符号到无符号的类型双关总是有效的)。 sizeof 不能用于获取非填充位的数量，例如要获得一个无符号值，其中只设置了符号位(相应的有符号类型)，必须使用类似这样的东西:

#define TYPE_PUN(to, from, x) ( *(to *)&(from){(x)} )
unsigned sign_bit = TYPE_PUN(unsigned, int, INT_MIN) &
                    TYPE_PUN(unsigned, int, -1) & ~1u;

(可能有更好的方法)而不是

unsigned sign_bit = 1u << sizeof sign_bit * CHAR_BIT - 1;

因为这可能会移动超过宽度。 (我不知道给出宽度的常量表达式，但是可以将上面的 sign_bit 右移直到它为 0 以确定它，Gcc 可以常量折叠它。)可以检查填充位通过 memcpying 进入 unsigned char 数组，尽管它们可能看起来“摇摆不定”:两次读取相同的填充位可能会产生不同的结果。

如果你想要有符号整数(小端)的位模式(没有填充位):

int print_bits_u(unsigned n) {
    for(; n; n>>=1) {
        putchar(n&1 ? '1' : '0'); // n&1 never traps
    }
    return 0;
}

int print_bits(int n) {
    return print_bits_u(*(unsigned *)&n & INT_MAX);
    /* This masks padding bits if int has more of them than unsigned int.
     * Note that INT_MAX is promoted to unsigned int here. */
}

int print_bits_2scomp(int n) {
    return print_bits_u(n);
}

print_bits 根据使用的表示形式给出不同的负数结果(它给出原始位模式)，print_bits_2scomp 给出二进制补码表示形式(可能具有更大的宽度如果 unsigned int 具有较少的填充位，则比 signed int 具有的多。

在使用按位运算符和从无符号到有符号的类型双关时，必须注意不要生成陷阱表示，请参阅下文如何生成这些表示(例如，*(int *)&sign_bit 可以用二进制补码捕获，-1 | 1 可以用一个补码捕获)。

无符号到有符号整数转换(如果转换后的值在目标类型中不可表示)始终是实现定义的，我希望非 2 的补码机更有可能不同于通用定义，尽管从技术上讲，它也可能成为 2 的补码实现的问题。

来自 C11 (n1570) 6.2.6.2:

(1) For unsigned integer types other than unsigned char, the bits of the object representation shall be divided into two groups: value bits and padding bits (there need not be any of the latter). If there are N value bits, each bit shall represent a different power of 2 between 1 and 2^N-1, so that objects of that type shall be capable of representing values from 0 to 2^N-1 using a pure binary representation; this shall be known as the value representation. The values of any padding bits are unspecified.

(2) For signed integer types, the bits of the object representation shall be divided into three groups: value bits, padding bits, and the sign bit. There need not be any padding bits; signed char shall not have any padding bits. There shall be exactly one sign bit. Each bit that is a value bit shall have the same value as the same bit in the object representation of the corresponding unsigned type (if there are M value bits in the signed type and N in the unsigned type, then M≤N ). If the sign bit is zero, it shall not affect the resulting value. If the sign bit is one, the value shall be modified in one of the following ways:

• the corresponding value with sign bit 0 is negated (sign and magnitude);
• the sign bit has the value -(2^M) (two's complement);
• the sign bit has the value -(2^M-1) (ones' complement).

Which of these applies is implementation-defined, as is whether the value with sign bit 1 and all value bits zero (for the first two), or with sign bit and all value bits 1 (for ones' complement), is a trap representation or a normal value. In the case of sign and magnitude and ones' complement, if this representation is a normal value it is called a negative zero.