Стивен Прата - Язык программирования C. Лекции и упражнения (6-е изд.) 2015

Исходные настройки окна:

Окно непрозрачно.

Цвет фона желтый.

Рамка отображается.

Цвет рамки зеленый.

Стиль рамки штриховой.

Настройки окна с использованием представления unsigned short:

Окно прозрачно.

Цвет фона черный.

Рамка не отображается.

Стиль рамки сплошной.

Цвет рамки черный.

Комбинация битов 10110000101010000000000000000000

Измененные настройки окна:

Окно прозрачно.

Цвет фона желтый.

Рамка отображается.

Цвет рамки зеленый.

Стиль рамки штриховой.

Настройки окна с использованием представления unsigned short:

Окно прозрачно.

Цвет фона голубой.

Рамка отображается.

Стиль рамки пунктирный.

Цвет рамки красный.

Комбинация битов 10110000101010000001001000001101

Здесь изменения затрагивают те же биты, что и ранее, но в системе Macintosh PowerPC загрузка структур в память осуществляется по-другому. В частности, первое битовое поле загружается, начиная со старшего, а не младшего бита. Поэтому представление структуры касается первых 16 битов (которые следуют в порядке, отличающемся от версии IBM PC), тогда как представление unsigned int затрагивает последние 16 битов. Таким образом, допущения, сделанные относительно позиций битов в листинге 15.4, для Macintosh PowerPC некорректны, а побитовые операции, применяемые для изменения настроек прозрачности и цвета фона, изменяют не те биты.

Средства выравнивания (С11)

Средства выравнивания С11 по своей природе больше ориентированы на манипулирование байтами, чем битами, но они также отражают возможность языка С иметь дело с оборудованием. В этом контексте выравнивание относится к тому, как объекты располагаются в памяти. Например, для максимальной эффективности система может требовать, чтобы значение типа double хранилось в памяти по адресу, кратному 4, но разрешать значению типа char храниться по любому адресу. Большинству программистов редко когда придется заботиться о выравнивании. Но в некоторых ситуациях контроль над выравниванием позволяет извлечь выгоду, например, при передаче данных из одного физического места в другое либо при вызове инструкций, которые оперируют на множестве элементов данных одновременно.

654 Глава 15

Операция Alignof выдает требования к выравниванию указанного типа. Для ее использования необходимо после ключевого слова _Alignof поместить имя типа в круглых скобках:

size_t d_align = _Alignof(float);

Полученное значение, скажем, 4 для d_align, говорит о том, что объекты float имеют требование к выравниванию, соответствующее 4. Это означает, что 4 является количеством байтов между следующими друг за другом адресами для хранения значений упомянутого типа. В общем случае значения выравнивания должны быть неотрицательными целыми числами, которые представляют собой степень 2. Более высокие значения выравнивания считаются более жесткими или более строгими, чем меньшие значения, в то время как меньшие значения трактуются как более слабые.

С помощью спецификатора _Alignas можно запрашивать конкретное выравнивание для переменной или типа. Однако вы не должны запрашивать выравнивание, которое слабее фундаментального выравнивания, принятого для типа. Например, если требование к выравниванию для float составляет 4, не запрашивайте значение выравнивания, равное 1 или 2. Этот спецификатор применяется как часть объявления, и за ним следует пара круглых скобок, содержащая либо значение выравнивания, либо тип:

_Alignas(double) char cl;

_Alignas(8) char c2;

unsigned char _Alignas(long double) c_arr[sizeof(long double)];

На заметку!

На момент написания книги компилятор Clang (версии 3.2) требовал, чтобы спецификатор Al ignas (тип) располагался после спецификатора типа, как в третьей строка приведенного выше кода. Тем не менее, компилятор GCC 4.7.3 распознает оба порядка следования, как и последующая версия (3.3) компилятора Clang.

В листинге 15.5 показан короткий пример использования Alignas и Alignof. Листинг 15.5. Программа align.с

Манипулирование битами 655

Вот пример вывода:

Выравнивание char: 1

Выравнивание double: 8 &dx: 0x7fff5fbff660 &са: 0x7fff5fbff65f &сх: 0x7fff5fbff65e &dz: 0x7fff5fbff650 &cb: 0x7fff5fbff64f &cz: 0x7fff5fbff648

В нашей системе значение выравнивания 8 для типа double подразумевает, что значения этого типа сохраняются по адресам, кратным 8. Шестнадцатеричные адреса, заканчивающиеся на 0 или 8, являются кратными 8, и адреса такого вида применялись для двух переменных double, а также переменной char по имени cz, которой было назначено значение выравнивания для типа double. Поскольку значением выравнивания для char было 1, компилятор мог использовать для переменных этого типа любые адреса.

Включение заголовочного файла stdalign.h позволяет применять псевдонимы alignas и alignof для _Alignas и _Alignof. Они соответствуют ключевым словам в C++. В C11 также появилась возможность выравнивания для выделенной памяти за счет добавления в библиотеку stdlib.h новой функции распределения памяти со следующим прототипом:

void *aligned_alloc(size_t alignment, size_t size);

В первом параметре указывается требуемое выравнивание, а во втором — количество необходимых байтов, которое должно быть кратным значению первого параметра. Как и в случае других функций распределения памяти, по завершении работы с выделенной памятью используйте функцию free(), чтобы ее освободить.

Ключевые понятия

Одной из особенностей, которая отличает С от большинства языков высокого уровня, является возможность доступа к отдельным битам целого числа. Это часто играет ключевую роль при взаимодействии с аппаратными устройствами и операционными системами.

Язык С обладает двумя основными средствами для работы с битами. Первое — это семейство побитовых операций, а второе — создание битовых полей в структуре.

В С11 добавлена возможность контроля требования к выравниванию памяти и запрашивания более строгих таких требований.

Обычно, хотя и не всегда, программы, в которых задействованы эти средства, привязаны к конкретным аппаратным платформам или операционным системам и не задуманы быть переносимыми.

Резюме

Вычислительные системы тесно связаны с двоичной системой счисления, поскольку нули и единицы могут представлять выключенное и включенное состояние битов памяти и регистров. Хотя язык С не разрешает записывать целые числа в двоичной форме, он распознает восьмеричные и шестнадцатеричные системы записи. Подобно тому, как двоичная цифра представляет один бит, восьмеричная цифра представляет три бита, а шестнадцатеричная — четыре бита. Такая взаимосвязь позволяет сравнительно просто преобразовывать двоичные числа в восьмеричную или шестнадцатеричную форму.

656 Глава 15

В языке С предлагается несколько побитовых операций, которые так называются из-за того, что воздействуют на каждый бит значения независимым образом. Побитовая операция отрицания (~) инвертирует каждый бит своего операнда, преобразуя 1 в 0 и наоборот. Побитовая операция “И” (&) формирует значение из двух операндов. Каждый бит в значении устанавливается в 1, если соответствующие биты в обоих операндах равны 1; в противном случае бит устанавливается в 0. Побитовая операция “ИЛИ” (I) также формирует значение из двух операндов. Каждый бит в значении устанавливается в 1, если соответствующий бит в одном из двух или в обоих операндах равен 1; в противном случае бит устанавливается в 0. Побитовая операция исключающего “ИЛИ” ( л) действует аналогично с тем отличием, что результирующий бит устанавливается в 1, только если соответствующий бит равен 1 в одном или в другом операнде, но не в обоих.