Что такое битовые поля в C++?

Битовые поля — это особый синтаксис в C и C++, позволяющий членам структур или классов занимать не целое количество байтов, а указанное число битов. Это полезно для экономии памяти, особенно в низкоуровневом программировании, при работе с аппаратными регистрами или передаче данных по протоколам, где важна точная битовая раскладка.

Синтаксис объявления:

struct БитовоеПоле {
    тип_данных имя_члена : количество_битов;
    // ... другие члены
};

Особенности:

• Тип данных члена обычно целочисленный (int, unsigned int, char и т.д.).
• Количество битов указывается после двоеточия.
• Размер структуры с битовыми полями может быть меньше, чем сумма размеров ее членов, объявленных обычным способом.
• Порядок размещения битовых полей внутри слова зависит от конкретного компилятора и архитектуры (endianness).
• Адрес (&) битового поля получить нельзя, так как оно может не начинаться на границе байта.
• Битовые поля не могут быть массивами или указателями.

Пример:

struct ФлагиСостояния {
    unsigned int ошибка : 1;     // занимает 1 бит
    unsigned int готова : 1;     // занимает 1 бит
    unsigned int занята : 1;     // занимает 1 бит
    unsigned int код : 5;        // занимает 5 битов
    unsigned int зарезервировано : 24; // занимает 24 бита (дополняет до 32 бит)
}; // Общий размер может быть 4 байта

Использование:

Доступ к битовым полям осуществляется как к обычным членам структуры:

ФлагиСостояния состояние;
состояние.ошибка = 1;
состояние.код = 10;

if (состояние.готова) {
    // ...
}

Преимущества:

• Экономия памяти.
• Позволяет точно соответствовать битовым форматам данных.

Недостатки:

• Портабельность: порядок размещения и размер структуры зависят от компилятора/архитектуры.
• Нельзя получить адрес битового поля.
• Могут быть нюансы с производительностью при доступе к отдельным битам.