C++17完整导引-组件之std::byte

std::byte

通过std::byte，C++17引入了一个类型来代表内存的最小单位：字节。std::byte本质上代表一个字节的值，但并不能进行数字或字符的操作，也不对每一位进行解释。对于不需要数字计算和字符序列的场景，这样会更加类型安全。
然而，注意std::byte实现的大小和unsigned char一样，这意味着它并不保证是8位，可能会更多。

std::byte：它代表了寻址单位，但没有作为整数类型的功能。std::byte 可以进行位运算，但不能够像char那样进行普通代数运算。在提高了类型安全性的同时，也有助于提高程序的可读性。

摘自C++17: std::byte

You might wonder what the difference is with just using the existing uint8_t instead of std::byte. Well, std::byte is really just a bunch of un-interpreted bits. If you use uint8_t, you are actually interpreting the bits as an 8-bit unsigned numerical value, which might convey the wrong semantics. Also, std::byte will not allow accidental arithmetic on it, while uint8_t does.
std::byte是一组未解释的位，而uint8_t则将这些位解释为8位无符号数值。使用std::byte可以避免错误的语义，并防止意外进行算术运算。

摘自cppreference.com

std::byte 是一种独立类型，它实现指定于 C++ 语言定义中的字节的概念。
同 char 与 unsigned char ，它能用于访问其他对象所占据的生内存（对象表示），但不同于这些类型，它不是字符类型且非算术类型。 byte 只是位的汇集，而且只对它定义逐位运算符。

摘自A byte type definition

程序中许多需要对内存进行字节级别的访问。目前，这些程序必须使用char、signed char或unsigned char类型来实现。然而，这些类型执行“三重任务”。它们不仅用于字节寻址，还用作算术类型和字符类型。这种角色的多样性为程序员错误（例如在应将其视为字节值的内存上意外执行算术运算）和混淆打开了大门。
byte类型的引入提高了类型安全性，通过区分基于字节的内存访问和将内存作为字符或整数值进行访问。它提高了可读性，并使代码意图更清晰地传达给读者（以及用于理解和转换程序的工具）。它通过消除程序员意图表达中的歧义，增加了表达式准确度，从而提高了类型安全性并增加了分析工具的精度。

使用std::byte

std::byte是一种独立的类型，不属于整数或字符类型。它用于访问构成对象存储的位，以提高程序安全性。
下面的代码展示了std::byte的核心能力：

#include <cstddef>  // for std::byte
#include <iostream>

using namespace std;
int main() {
    
    
    byte b1{
    
    0x3F};
    byte b2{
    
    0b1111'0000};
    cout << to_integer<int>(b1) << '\n'; // 输出： 63
    byte b3[4]{
    
    b1, b2, std::byte{
    
    1}};  // 4个字节（最后一个是0）
    if (b1 == b3[0]) {
    
    
        b1 <<= 1;
    }
    cout << to_integer<int>(b1) << '\n';  // 输出：126
    return 0;
}

预处理代码如下：

  std::byte b1 = {
    
    63};
  std::byte b2 = {
    
    240};
  std::operator<<(std::cout.operator<<(std::to_integer<int>(b1)), '\n');
  std::byte b3[4] = {
    
    b1, b2, std::byte{
    
    1}, 0};
  if(b1 == b3[0]) {
    
    
    std::operator<<=(b1, 1);
  } 
  
  std::operator<<(std::cout.operator<<(std::to_integer<int>(b1)), '\n');

这里，我们定义了两个初始值不同的字节。b2的初始化使用了两个C++14引入的特性：

• 前缀0b允许定义二进制字面量
• 数字分隔符 '可以增强数字字面量的可读性（它可以被放置在数字字面量中任意两个数字之间）。
  注意列表初始化（使用花括号初始化）是唯一可以直接初始化std::byte对象的方法。所有其他的形式都不能编译：

std::byte b1{
    
    42};       // OK（因为自从C++17起所有枚举都有固定的底层类型）
std::byte b2(42);       // ERROR
std::byte b3 = 42;      // ERROR
std::byte b4 = {
    
    42};    // ERROR

这是将std::byte实现为枚举类型的一个直接后果。花括号初始化使用了新的用整数值初始化有作用域的枚举特性。
也没有隐式类型转换，这意味着你必须显式对整数值进行转换才能初始化字节数组：

std::byte b5[] {
    
    1};             // ERROR
std::byte b6[] {
    
    std::byte{
    
    1}};  // OK

如果没有初始化，std::byte对象的值将是未定义的，因为它存储在栈上：

std::byte b;    // 值未定义

像通常一样（除了原子类型），你可以使用花括号强制初始化为每一位为0：

std::byte b{
    
    };  // 等价于b{0}

std::to_integer<>允许你将std::byte对象转换为整数值（包括bool和char类型）。如果没有转换，将不能使用输出运算符。注意因为这个转换函数是模板，所以你需要使用带有std::的完整名称：

std::cout << b1;    // ERROR
std::cout << to_integer<int>(b1);       // ERROR（ADL在这里不起作用）
std::cout << std::to_integer<int>(b1);  // OK

也可以使用using声明（但请只在局部作用域中这么做）：

using std::to_integer;
...
std::cout << to_integer<int>(b1);       // OK

如果要将std::byte用作bool值也需要这样的转换。例如：

if (b2) ...                         // ERROR
if (b2 != std::byte{
    
    0}) ...         // OK
if (to_integer<bool>(b2)) ...       // ERROR（ADL在这里不起作用）
if (std::to_integer<bool>(b2)) ...  // OK

因为std::byte被实现为底层类型是unsigned char的枚举类型，所以它的大小总是1：

std::cout << sizeof(b);             // 总是1

它的位数依赖于底层类型unsigned char的位数，你可以通过标准数字限制来获取位数：

std::cout << std::numeric_limits<unsigned char>::digits; // std::byte的位数

这等价于：

std::cout << std::numeric_limits<std::underlying_type_t<std::byte>>::digits;

大多数时候结果是8，但在有些平台上可能不是。

std::byte类型和操作

std::byte类型

在头文件<cstddef>中，C++标准库以如下方式定义了std::byte：

namespace std {
    
    
    enum class byte : unsigned char {
    
    
    };
}

也就是说，std::byte不是别的，只是一个带有一些位运算符操作的有作用域的枚举类型：

namespace std {
    
    
    ...
    template<typename IntType>
    constexpr byte  operator<<  (byte  b, IntType shift) noexcept;
    template<typename IntType>
    constexpr byte& operator<<= (byte& b, IntType shift) noexcept;
    template<typename IntType>
    constexpr byte  operator>>  (byte  b, IntType shift) noexcept;
    template<typename IntType>
    constexpr byte& operator>>= (byte& b, IntType shift) noexcept;

    constexpr byte& operator|= (byte& l, byte r) noexcept;
    constexpr byte  operator|  (byte  l, byte r) noexcept;
    constexpr byte& operator&= (byte& l, byte r) noexcept;
    constexpr byte  operator&  (byte  l, byte r) noexcept;
    constexpr byte& operator^= (byte& l, byte r) noexcept;
    constexpr byte  operator^  (byte  l, byte r) noexcept;
    constexpr byte  operator~  (byte b) noexcept;

    template<typename IntType>
    constexpr IntType to_integer (byte b) noexcept;
}

std::byte操作

表std::byte的操作列出了std::byte的所有操作。

操作	效果
构造函数	创建一个字节对象（调用默认构造函数时值未定义）
析构函数	销毁一个字节对象（什么也不做）
=	赋予新值
==、!=、<、<=、>、>=	比较字节对象
<<、>>、|、&、^、~	二元位运算符
<<=、>>=、 |=、 &=、^=	修改自身的位运算符
to_integer<T>()	把字节对象转换为整数类型T
sizeof()	返回1

#include <bitset>
#include <cstddef>
#include <iostream>

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, std::byte b) {
    
    
    return os << std::bitset<8>(std::to_integer<int>(b));
}

int main() {
    
    
    std::byte b{
    
    42};
    std::cout << "1. " << b << '\n';

    // b *= 2 compilation error
    b <<= 1;
    std::cout << "2. " << b << '\n';

    b >>= 1;
    std::cout << "3. " << b << '\n';

    std::cout << "4. " << (b << 1) << '\n';
    std::cout << "5. " << (b >> 1) << '\n';

    b |= std::byte{
    
    0b11110000};
    std::cout << "6. " << b << '\n';

    b &= std::byte{
    
    0b11110000};
    std::cout << "7. " << b << '\n';

    b ^= std::byte{
    
    0b11111111};
    std::cout << "8. " << b << '\n';
}

运行结果如下：

1. 00101010
2. 01010100
3. 00101010
4. 01010100
5. 00010101
6. 11111010
7. 11110000
8. 00001111

转换为整数类型

用to_integer<>()可以把std::byte转换为任意基本整数类型（bool、字符类型或者整数类型）。这也是必须的，例如为了将std::byte和整数值比较或者将它用作条件：

if (b2) ...                         // ERROR
if (b2 != std::byte{
    
    0}) ...         // OK
if (to_integer<bool>(b2)) ...       // ERROR（ADL在这里不生效）
if (std::to_integer<bool>(b2)) ...  // OK

另一个使用它的例子是std::byte I/O。to_integer<>()使用static_cast来把unsigned char转换为目标类型。例如：

std::byte ff{
    
    0xFF};
std::cout << std::to_integer<unsigned int>(ff); // 255
std::cout << std::to_integer<int>(ff);          // 也是255（没有负值）
std::cout << static_cast<int>(std::to_integer<signed char>(ff)); // -1

std::byte的I/O

std::byte没有定义输入和输出运算符，因此不得不把它转换为整数类型再进行I/O：

std::byte b;
...
std::cout << std::to_integer<int>(b);   // 以十进制值打印出值
std::cout << std::hex << std::to_integer<int>(b); // 以十六进制打印出值

通过使用std::bitset<>，你可以以二进制输出值（一串位序列）：

#include <cstddef>  // for std::byte
#include <bitset>   // for std::bitset
#include <limits>   // for std::numeric_limits

std::byte b1{
    
    42};
using ByteBitset = std::bitset<std::numeric_limits<unsigned char>::digits>;
std::cout << ByteBitset{
    
    std::to_integer<unsigned>(b1)};

上例中using声明定义了一个位数和std::byte相同的bitset类型，之后把字节对象转换为整数来初始化一个这种类型的对象，最后输出了该对象。最后值42会以如下方式输出（假设一个char是8位）：

00101010

另外，你可以使用std::underlying_type_t<std::byte>代替unsigned char，这样using声明的目的将更明显。

你也可以使用这种方法把std::byte的二进制表示写入一个字符串：

std::string s = ByteBitset{
    
    std::to_integer<unsigned>(b1)}.to_string();

如果你已经有了一个字符序列，你也可以像下面这样使用byte到位序列

#include <bitset>
#include <charconv>
#include <cstddef>
#include <iostream>

int main() {
    
    
    std::byte b1{
    
    42};
    char str[100];
    std::to_chars_result res =
        std::to_chars(str, str + 99, std::to_integer<int>(b1), 2);
    *res.ptr = '\0';  // 确保最后有一个空字符结尾

    std::cout<< std::string(str); // 101010
}

注意这种形式将不会写入前导0，这意味着对于值42，最后的结果是（假设一个char有8位）：

101010

可以使用相似的方式进行输入：以整数、字符串或bitset类型读入并进行转换。例如，你可以像下面这样实现读入字节对象的二进制表示的输入运算符：

std::istream& operator>> (std::istream& strm, std::byte& b)
{
    
    
    // 读入一个bitset：
    std::bitset<std::numeric_limits<unsigned char>::digits> bs;
    strm >> bs;
    // 如果没有失败就转换为std::byte：
    if (!std::cin.fail()) {
    
    
        b = static_cast<std::byte>(bs.to_ulong());  // OK
    }
    return strm;
}

注意我们必须使用static_cast<>()来把bitset转换成的unsigned long转换为std::byte。列表初始化将不能工作，因为会发生窄化：

b = std::byte{
    
    bs.to_ulong()};   // ERROR：发生窄化

并且我们也没有其他的初始化方法了。

另外，你也可以使用std::from_chars()来从给定的字符序列读取：

#include <charconv>

const char* str = "101001";
int value;
std::from_chars_result res = std::from_chars(str, str+6, // 要读取的字符范围
                                             value,      // 读取后存入的对象
                                             2);         // 2进制