C结构体之位域（位段）

曾经终败给现在 2022-08-09 05:26 220阅读 0赞

有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节， 而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时，只有0和1 两种状态， 用一位二进位即可。为了节省存储空间，并使处理简便，C语言又提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域， 并说明每个区域的位数。每个域有一个域名，允许在程序中按域名进行操作。 这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。  
一、位域的定义和位域变量的说明位域定义与结构定义相仿，其形式为：

struct 位域结构名 
    {
    
     位域列表
    
    };

其中位域列表的形式为：

类型说明符 位域名：位域长度

位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。 可采用先定义后说明，同时定义说明或者直接说明这三种方式。例如：

struct bs
    {
    　　int a:8;
    　　int b:2;
    　　int c:6;
    }data;

说明data为bs变量，共占两个字节。其中位域a占8位，位域b占2位，位域c占6位。对于位域的定义尚有以下几点说明：

1. 一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。例如：

struct bs
    {
        unsigned a:4
        unsigned b:5 /*从下一单元开始存放*/
        unsigned c:4
    }

2. 由于位域不允许跨两个字节，因此位域的长度不能大于一个字节的长度。

3. 位域可以无位域名，这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。例如：

![复制代码][copycode.gif]

struct k
    {
        int a:1
        int :2 /*无位域名，该2位不能使用*/
        int b:3
        int c:2
    };

![复制代码][copycode.gif]

二、位域的使用

下面例子是参加一个公司（白领科技-青岛）的笔试遇到的，当时做错了，为了怕忘了，赶紧写下来。

![复制代码][copycode.gif]

1 #include <iostream>
     2 #include <memory.h>
     3 using namespace std;
     4 struct A
     5 {
     6     int a:5;
     7     int b:3;
     8 };
     9 int main(void)
    10 {
    11     char str[100] = "0134324324afsadfsdlfjlsdjfl";
    12         struct A d;
    13     memcpy(&d, str, sizeof(A));
    14     cout << d.a << endl;
    15     cout << d.b << endl;
    16     return 0;
    17 }

![复制代码][copycode.gif]

在32位x86机器上输出：

<table style="border-collapse:collapse; border-spacing:0px; border:1px solid silver; width:620px; word-break:break-word; margin:0px!important; padding:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.1em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; font-family:Consolas,'Bitstream Vera Sans Mono','Courier New',Courier,monospace!important; font-size:12px!important; min-height:inherit!important; background:none!important"> 
 <tbody style="margin:0px!important; padding:0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.1em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; min-height:inherit!important; background:none!important"> 
  <tr style="margin:0px!important; padding:0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.1em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; min-height:inherit!important; background:none!important"> 
   <td style="padding:3px; border:1px solid silver; border-collapse:collapse; margin:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.1em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; font-family:Consolas,'Bitstream Vera Sans Mono','Courier New',Courier,monospace!important; min-height:inherit!important; background:none!important"> 
    <div style="margin:0px!important; padding:0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.1em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:relative!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; min-height:inherit!important; background:none!important"> 
     <div style="margin:0px!important; padding:0px 1em 0px 0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.8em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; min-height:inherit!important; background:none rgb(244,244,244)!important"> 
      <code style="white-space:pre-wrap; margin:0px!important; padding:0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.8em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; font-family:Consolas,'Bitstream Vera Sans Mono','Courier New',Courier,monospace!important; min-height:inherit!important; background:none!important">$ ./langxun.exe</code> 
     </div> 
     <div style="margin:0px!important; padding:0px 1em 0px 0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.8em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; min-height:inherit!important"> 
      <code style="white-space:pre-wrap; margin:0px!important; padding:0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.8em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; font-family:Consolas,'Bitstream Vera Sans Mono','Courier New',Courier,monospace!important; min-height:inherit!important; background:none!important">-16</code> 
     </div> 
     <div style="margin:0px!important; padding:0px 1em 0px 0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.8em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; min-height:inherit!important; background:none rgb(244,244,244)!important"> 
      <code style="white-space:pre-wrap; margin:0px!important; padding:0px!important; border:0px!important; bottom:auto!important; float:none!important; height:auto!important; left:auto!important; line-height:1.8em!important; outline:0px!important; overflow:visible!important; position:static!important; right:auto!important; top:auto!important; vertical-align:baseline!important; width:auto!important; font-family:Consolas,'Bitstream Vera Sans Mono','Courier New',Courier,monospace!important; min-height:inherit!important; background:none!important">1</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

解析：在默认情况下，为了方便对结构体内元素的访问和管理，当结构体内的元素长度都小于处理器的位数的时候，便以结构体里面最长的元素为对其单位，即结构体的长度一定是最长的数据元素的整数倍；如果有结构体内存长度大于处理器位数的元素，那么就以处理器的位数为对齐单元。由于是32位处理器，而且结构体中a和b元素类型均为int（也是4个字节），所以结构体的A占用内存为4个字节。

上例程序中定义了位域结构A，两个个位域为a（占用5位），b（占用3位），所以a和b总共占用了结构A一个字节（低位的一个字节）。

当程序运行到14行时，d内存分配情况：

高位 00110100 00110011   00110001    00110000 低位
           '4'       '3'       '1'          '0'  
     其中d.a和d.b占用d低位一个字节（00110000）,d.a : 10000, d.b : 001

d.a内存中二进制表示为10000，由于d.a为有符号的整型变量，输出时要对符号位进行扩展，所以结果为-16（二进制为11111111111111111111111111110000）

d.b内存中二进制表示为001，由于d.b为有符号的整型变量，输出时要对符号位进行扩展，所以结果为1（二进制为00000000000000000000000000000001）

三、位域的对齐

如果结构体中含有位域(bit-field)，那么VC中准则是：

1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；

2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；

3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式（不同位域字段存放在不同的位域类型字节中），Dev-C++和GCC都采取压缩方式；

系统会先为结构体成员按照对齐方式分配空间和填塞（padding）,然后对变量进行位域操作。

http://www.cnblogs.com/bigrabbit/archive/2012/09/20/2695543.html

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