Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание - Бьёрн Страуструп

как набор байтов через двоичный механизм ввода-вывода).

void f(short val) // пусть число состоит из 16 битов, т.е. 2 байта

{

  unsigned char left = val>>8;    // крайний левый

                                  // (самый старший) байт

  unsigned char right = val&0xff; // крайний правый

                                  // (самый младший) байт

  // ...

  bool negative = val&0x8000;     // знаковый бит

  // ...

}

Такие операции не редкость. Они известны как “сдвиг и наложение маски” (“shift and mask”). Мы выполняем сдвиг (“shift”), используя операторы << или >>, чтобы переместить требуемые биты вправо (в младшую часть слова), где ними легко манипулировать. Мы накладываем маску (“mask”), используя оператор “и” (&) вместе с битовой комбинацией (в данном случае 0xff), чтобы исключить (установить равными нулю) биты, нежелательные в результате.

При необходимости именовать биты часто используются перечисления. Рассмотрим пример.

enum Printer_flags {

  acknowledge=1,

  paper_empty=1<<1,

  busy=1<<2,

  out_of_black=1<<3,

  out_of_color=1<<4,

  // ...

};

Этот код определяет перечисление, в котором каждый элемент равен именно тому значению, которому соответствует его имя.

Такие значения полезны, потому что они комбинируются совершенно независимо друг от друга.

unsigned char x = out_of_color | out_of_black; // x = 24 (16+8)

x |= paper_empty; // x = 26 (24+2)

Отметим, что оператор |= можно прочитать как “установить бит” (или “установить некоторый бит”). Значит, оператор & можно прочитать как “установлен ли бит?” Рассмотрим пример.

if (x& out_of_color) { // установлен ли out_of_color? (Да, если

                       // установлен)

// ...

}

Оператор & по-прежнему можно использовать для наложения маски.

unsigned char y = x &(out_of_color | out_of_black); // y = 24

Теперь переменная y содержит копию битов из позиций 4 и 4 числа x (out_of_color и out_of_black).

Очень часть переменные типа enum используются как набор битов. При этом необходимо выполнить обратное преобразование, чтобы результат имел вид перечисления. Рассмотрим пример.

// необходимо приведение

Flags z = Printer_flags(out_of_color | out_of_black);

Приведение необходимо потому, что компилятор не может знать, что результат выражения out_of_color | out_of_black является корректным значением переменной типа Flags. Скептицизм компилятора обоснован: помимо всего прочего, ни один из элементов перечисления не имеет значения, равного 24 (out_of_color | out_of_black), но в данном случае мы знаем, что выполненное присваивание имеет смысл (а компилятор — нет).

25.5.5. Битовые поля

 

 Как указывалось ранее, биты часто встречаются при программировании интерфейсов аппаратного обеспечения. Как правило, такие интерфейсы определяются как смесь битов и чисел, имеющих разные размеры. Эти биты и числа обычно имеют имена и стоят на заданных позициях в слове, которое часто называют регистром устройства (device register). В языке C++ есть специальные конструкции для работы с такими фиксированными схемами: битовые поля (bitfields). Рассмотрим номер страницы, используемый менеджером страниц глубоко внутри операционной системы. Вот как выглядит диаграмма, приведенная в руководстве по работе с операционной системой.

З2-битовое слово состоит из двух числовых полей (одно длиной 22 бита и другое — 3 бита) и четырех флагов (длиной один бит каждый). Размеры и позиции этих фрагментов фиксированы. Внутри слова существует даже неиспользуемое (и неименованное) поле. Эту схему можно описать с помощью следующей структуры:

struct PPN { // Номер физической страницы

  // R6000 Number

  unsigned int PFN:22; // Номер страничного блока

  int:3;               // не используется

  unsigned int CCA:3;  // Алгоритм поддержки

                       // когерентности кэша

                       // (Cache Coherency Algorithm)

  bool nonreachable:1;

  bool dirty:1;

  bool valid:1;

  bool global:1;

};

Для того чтобы узнать, что переменные PFN и CCA должны интерпретироваться как целые числа без знака, необходимо прочитать справочник. Но мы могли бы восстановить структуру непосредственно по диаграмме. Битовые поля заполняют слово слева направо. Количество битов указывается как целое число после двоеточия. Указать абсолютную позицию (например, бит 8) нельзя. Если битовые поля занимают больше памяти, чем слово, то поля, которые не помещаются в первое слово, записываются в следующее. Надеемся, что это не противоречит вашим желаниям. После определения битовое поле используется точно так же, как все остальные переменные.

void part_of_VM_system(PPN * p)

{

  // ...

  if (p–>dirty) { // содержание изменилось

                  // копируем на диск

    p–>dirty = 0;

  }

  // ...

}

Битовые поля позволяют не использовать сдвиги и наложение масок, для того чтобы получить информацию, размещенную в середине слова. Например, если объект класса PPN называется pn, то битовое поле CCA можно извлечь следующим образом:

unsigned int x = pn.CCA; // извлекаем битовое поле CCA

Если бы для представления тех же самых битов мы использовали целое число типа int с именем pni, то нам пришлось бы написать такой код:

unsigned int y = (pni>>4)&0x7; // извлекаем битовое поле CCA

Иначе говоря, этот код сдвигает структуру pn вправо, так чтобы поле CCA стало крайним левым битом, а затем накладывает на оставшиеся биты маску 0x7 (т.е. устанавливает последние три бита). Если вы посмотрите на машинный код, то скорее всего обнаружите, что сгенерированный код идентичен двум строкам, приведенным выше.

Смесь аббревиатур (CCA, PPN, PFN) типична для низкоуровневых кодов и мало информативна вне своего контекста.

25.5.6. Пример: простое шифрование

В качестве примера манипулирования данными на уровне битов и байтов рассмотрим простой алгоритм шифрования: Tiny Encryption Algorithm (TEA). Он был изобретен Дэвидом Уилером (David Wheeler) в Кембриджском университете (см. раздел 22.2.1). Он небольшой, но обеспечивает превосходную защиту от несанкционированной расшифровки.

Не следует слишком глубоко вникать в этот код (если вы не слишком любознательны или не хотите заработать головную боль). Мы приводим его просто для того, чтобы вы почувствовали вкус реального приложения и ощутили полезность манипулирования битами. Если хотите изучать вопросы шифрования, найдите другой учебник. Более подробную информацию об этом алгоритме и варианты его