c++ - 使用 union 会有好处吗？

Question

在上课时，我开始尝试一些我可能想纳入现有 Register 的设计决策类(class)。我正在考虑结合相应的 std::uint8_t , std::uint16_t , std::uint32_t和或std::uint64_t进入一个嵌套的无名结构 - 具有 std::bitset<value> 的 union 数据结构在我的模板化类中，取决于实例化时类的模板类型，其中 value是该类型的位的大小。

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这是我正在处理的用于合并数据结构设计的任意类。它使用与我的 Register 相同的头文件可以在下面找到的类用途。

template<typename T>
struct MyRegT {
    union {
        struct {
            T value : (sizeof(T) * CHAR_BIT);
        };
        std::bitset<sizeof(T) * CHAR_BIT> bits;
    } reg;

    explicit MyRegT(T value) : reg{ value } {}
};

---

两个类的编译和报告相同的预期值。两者之间的唯一区别是上面的类使用较少的内部内存，因为 union 是一件好事。

但是，在使用 union 和位域时，由于许多不同的因素，例如体系结构的字节序、操作系统本身、编译器如何在结构中填充内存，因此必须小心。

在这种特定情况下，如果我将其纳入其中会产生什么影响；这会是可移植性、线程安全性或线程能力的问题，它是否保持可读性等？

这些只是我在更改现有类(class)之前的顾虑。我已经提到了重用相同内存的好处，在这种情况下，我认为在特定用例中应该没问题:

MyRegT<std::uint8_t> r8{32};

此处 union 将介于 std::uint8_t 之间和一个 std::bitset<8>该值将包含 32而 bitset将能够为用户提供 string当前存储的位或值的二进制表示 32存储为 std::uint8_t以及 std::bitset 的任何其他功能不得不提供。一个中的任何变化都应反射(reflect)在另一个中。由于它们相互是同一实体，只是它的不同表示形式。

如果我要在这条线上使用某些东西，使用 std::bitset<...> 会更好吗？在无名结构和 std::uintN_t 内部其中 N结构之外的位大小是多少？

在我决定对我现有的代码库进行任何重大更改之前，我想知道这种方法是否还有其他缺失的优点和所有缺点。

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这是我现有的全部 Register类及其所有当前功能以供完整引用。

Register.h

#pragma once

#include <algorithm>
#include <bitset>
#include <cassert>
#include <climits>
#include <cstdint>
#include <exception>
#include <iterator>
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <limits>
#include <type_traits>

namespace vpc {
    using u8  = std::uint8_t;
    using u16 = std::uint16_t;
    using u32 = std::uint32_t;
    using u64 = std::uint64_t;

    template<typename T>
    struct Register;

    using Reg8  = Register<u8>;
    using Reg16 = Register<u16>;
    using Reg32 = Register<u32>;
    using Reg64 = Register<u64>;

    template<typename T>
    struct Register {
        T value;
        std::bitset<sizeof(T)* CHAR_BIT> bits;

        Register() : value{ 0 }, /*previous_value{ 0 },*/ bits{ 0 } {}

        template<typename U, std::enable_if_t<(sizeof(U) > sizeof(T))>* = nullptr>
        explicit Register(const U val, const u8 idx = 0) :
            value{ static_cast<T>((val >> std::size(bits) * idx) &
                  std::numeric_limits<std::make_unsigned_t<T>>::max()) },
            bits{ value }
        {
            constexpr u16 sizeT = sizeof(T);
            constexpr u16 sizeU = sizeof(U);
            assert((idx >= 0) && (idx <= ((sizeU / sizeT) - 1)) );
        }

        template<typename U, std::enable_if_t<(sizeof(U) < sizeof(T))>* = nullptr>
        explicit Register(const U val, const u8 idx = 0) :
            value{ static_cast<T>((static_cast<T>(val) << sizeof(U)*CHAR_BIT*idx) &
                  std::numeric_limits<std::make_unsigned_t<T>>::max()) },
            bits{ value }
        {
            constexpr u16 sizeT = sizeof(T);
            constexpr u16 sizeU = sizeof(U);
            assert((idx >= 0) && (idx <= ((sizeT / sizeU) - 1)) );
        }

        template<typename U, std::enable_if_t<(sizeof(U) == sizeof(T))>* = nullptr>
        explicit Register(const U val, const u8 idx = 0) :
            value{ static_cast<T>( val ) }, bits{ value }
        {}

        template<typename... Args>
        Register(Args... args) {}

        template<typename U>
        Register(const Register<U>& reg, const u8 idx = 0) : Register(reg.value, idx) {}

        void changeEndian() {
            T tmp = value;
            char* const p = reinterpret_cast<char*>(&tmp);
            for (size_t i = 0; i < sizeof(T) / 2; ++i)
                std::swap(p[i], p[sizeof(T) - i - 1]);
            bits = tmp;
        }

        Register& operator=(const Register& obj) {
            this->value = obj.value;
            //this->previous_value = obj.previous_value;
            this->bits = obj.bits;
            return *this;
        }

        template<typename Lhs, typename Rhs>
        friend auto operator+(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r);

        template<typename Lhs, typename Rhs>
        friend auto operator-(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r);

        template<typename Lhs, typename Rhs>
        friend auto operator*(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r);

        template<typename Lhs, typename Rhs>
        friend auto operator/(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r);

        template<typename Lhs, typename Rhs>
        friend auto operator%(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r);

        template<typename Lhs, typename Rhs>
        friend auto operator&(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r);

        template<typename Lhs, typename Rhs>
        friend auto operator|(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r);

        template<typename Lhs, typename Rhs>
        friend auto operator^(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r);

        template<typename Reg>
        friend auto operator~(const Register<Reg>& l);
    };

    template<typename Lhs, typename Rhs>
    auto operator+(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r) {    
        return Register<decltype(l.value + r.value)>{ l.value + r.value };
    }

    template<typename Lhs, typename Rhs>
    auto operator-(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r) {
        return Register<decltype(l.value - r.value)>{ l.value - r.value };
    }

    template<typename Lhs, typename Rhs>
    auto operator*(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r) {
        return Register<decltype(l.value * r.value)>{ l.value * r.value };
    }

    template<typename Lhs, typename Rhs>
    auto operator/(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r) {
        if (r.value == 0)
            throw std::exception( "Division by 0\n" );
        return Register<decltype(l.value / r.value)>{ l.value / r.value };
    }

    template<typename Lhs, typename Rhs>
    auto operator%(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r) {
        return Register<decltype(l.value % r.value)>{ l.value % r.value };
    }

    template<typename Lhs, typename Rhs>
    auto operator&(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r) {
        return Register<decltype(l.value & r.value)>{ l.value & r.value};
    }

    template<typename Lhs, typename Rhs>
    auto operator|(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r) {
        return Register<decltype(l.value | r.value)>{ l.value | r.value};
    }

    template<typename Lhs, typename Rhs>
    auto operator^(const Register<Lhs>& l, const Register<Rhs>& r) {
        return Register<decltype(l.value ^ r.value)>{ l.value ^ r.value };
    }

    template<typename Reg>
    auto operator~(const Register<Reg>& r) {
        return Register<decltype(~r.value)>{~r.value};
    }

    template<typename T>
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Register<T>& r) {
        return os << "Reg" << std::size(r.bits) << '(' << +r.value << ")"
            << "\nhex: 0x" << std::uppercase << std::setfill('0') << std::setw(sizeof(T) * 2) << std::hex
            << +r.bits.to_ullong() << std::dec << "\nbin: "
            << r.bits << "\n\n";
    }

    template<typename T>
    T changeEndian(T in) {
        char* const p = reinterpret_cast<char*>(&in);
        for (size_t i = 0; i < sizeof(T) / 2; ++i)
            std::swap(p[i], p[sizeof(T) - i - 1]);
        return in;
    }

    template<typename T>
    Register<T> reverseBitOrder(Register<T>& reg, bool copy = false) {
        static constexpr u16 BitCount = sizeof(T) * CHAR_BIT;

        auto str = reg.bits.to_string();
        std::reverse(str.begin(), str.end());

        if (copy) { // return a copy
            Register<T> cpy;
            cpy.bits = std::bitset<BitCount>(str);
            cpy.value = static_cast<T>(cpy.bits.to_ullong());
            return cpy;
        }
        else {
            reg.bits = std::bitset<BitCount>(str);
            //reg.previous_value = reg.value;
            reg.value = static_cast<T>(reg.bits.to_ullong());
            return {};
        }
    }    
} // namespace vpc

Answer 1

Union 不能直接替代您的类(class)。您有成员函数，其中一些读取 bits 成员，而其他读取 value (也许有一些读取两者，我没有全部读取)。

任何时候只有一个union成员是active的，读取非active成员的行为是未定义的(有一个异常(exception)，这里不适用)。

此外，匿名结构在 C++ 中的格式不正确。