c语言-位段

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前言

本篇文章介绍c语言的位段。

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一、位段是什么？

概念：c语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度。

1.1 位段的声明

位段的声明格式为：

struct struct_name
{
	类型名 成员变量名:宽度
};

位段的声明例子：

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	unsigned int _c : 10;
	unsigned int _d : 20;
};

说明：

成员变量_a占2位
成员变量_b占5位
成员变量_c占10位
成员变量_d占20位

输出位段A的大小：

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1.2 关于位段的说明

1. 位段成员的类型可以指定为unsigned int或int。位段的宽度应是一个整型常量表达式，其值应是非负的，且必须小于等于类型的位长
2. 对位段组，即使实际长度只占一个字节，但也分配4个字节。如果想要指定某一位段从下一存储单元存放，可以用以下形式定义：
   这里的存储单元是指开辟空间的大小:

• 位段的成员变量的类型为int，按照4个字节开辟空间
• 位段的成员变量的类型为char，按照1个字节开辟空间

struct C
{
	unsigned int a : 1;
	unsigned int b : 2;
	unsigned int: 0;   //表示本存储单元不在存储数据
	unsigned int c : 3;
};

分析

a和b的类型均为unsigned int，则开辟4个字节存储a和b
c的类型为unsigned int ,则另开辟4个字节存储c
则总大小为8字节

输出struct C类型的大小

3. 一个位段必须存储在同一存储单元中，不能跨两个单元。如果第一个单元空间不能容纳下一位段，则该空间不用，而从下一单元起存放该位段。
4. 可以定义无名位段

struct D
{
	unsigned int a : 1;
	unsigned int : 2; //无名位段，表示这2位空间不用
	unsigned int b : 3;
	unsigned int c : 4;
};

5. 位段的长度不能大于存储单元的长度，也不能定义位段数组
6. 位段中的数可以用整型格式符输出
7. 位段可以在数值表达式中引用，它会被系统自动地转换成整型数

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二、位段的内存分配

2.1 关于位段内存分配的说明

1. 位段的成员变量的类型可以是int（包括unsigned int 和 signed int）和char（属于整型家族类型）类型
2. 位段的空间按照4个字节（int）或1个字节（char）来开辟。

• 位段的成员变量的类型为int，按照4个字节开辟空间
• 位段的成员变量的类型为char，按照1个字节开辟空间

3. 位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植性的程序避免使用位段。

2.2 位段类型为int的内存分配方式（Visual Studio 2022）

下面探讨在Visual Studio 2022中位段的内存分配方式：

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	unsigned int _c : 2;
	unsigned int _d : 5;
};
//位段的内存分配

int main()
{
	struct A a = { 0 };
	a._a = 3;
	a._b = 20;
	a._c = 10;
	a._d = 30;

	return 0;
}

内存分配情况:

位段的类型为int,按照4个字节开辟空间
第一个字节存储成员变量_a和_b
第二个字节存储成员变量_c和_d

位段的空间分配方向因机器而异，一般是由右到左进行分配。

1. 假设从左到右分配

存储成员变量_a和_b之后（2+5 = 7（位）），第一个字节剩余一位
则分为两种情况

• 舍弃上一位段剩余位的存储方式
  

• 利用上一位段剩余位的存储方式
  不确定利用剩余位存储位段的高位还是低位，这个图暂时不画。

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2. 假设从右到左分配

存储成员变量_a和_b之后（2+5 = 7（位）），第一个字节剩余一位
则分为两种情况

• 舍弃上一位段剩余位的存储方式
  

• 利用上一位段剩余位的存储方式
  

查看Visual Studio2022的分配方式

由输出结果可知，Visual Studio2022在存储位段类型为int的成员变量时，存储方式为使用一个字节时，从右到左分配，高位

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2.3 位段类型为char的内存分配方式（Visual Studio 2022）

struct B
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};

int main()
{
	struct B b = { 0 };
	b.a = 10;
	b.b = 12;
	b.c = 3;
	b.d = 4;
	return 0;
}

输出位段的大小

内存分配情况：

位段的类型为char，按照1个字节开辟空间
a+b+c+d的总位数为16bit，恰好两个字节，然而输出的是3个字节，说明存储类型为char的位段舍弃了上一位段的剩余位，则可得以下的存储方式
第一字节存储成员变量a和b
第二个字节存储成员变量c
第三个字节存储成员变量d

由上面可知，Visual Studio2022分配空间的方向为从右到左

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• 舍弃上一位段剩余位的存储方式
  

查看Visual Studio2022的分配方式

由输出结果可知，Visual Studio2022在存储位段类型为char的成员变量时，空间分配方向为从右到左分配，采用舍弃上一位段剩余位的存储方式

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2.4 当一个结构体的位段类型同时有int和char的存储方式

struct E
{
	unsigned int a : 5;
	char b : 3;
	char c : 1;
};

输出该位段的大小

查看Visual Studio2022的分配方式

当一个结构体的位段类型同时有int和char时，开辟4个字节存储int，再开辟4个字节存储char

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三、位段的跨平台问题

1. int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的
2. 位段中最大位数的数目不能确定。（16位机器最大16位，32位机器最大32位，当成员位段宽度为27位时，在16位机器会出问题）
3. 位段中的成员在内存中从左到右分配，还是从右到左分配标准尚未定义。
4. 当一个结构体包含两个位段时，第二个位段成员比较大，第一个位段剩余的位数无法存储第二个成员时，是舍弃第一个位段剩余的位还是利用，这是不确定的。

总结：
与结构体相比，位段可以达到同样的效果，并且可以节省空间，但是存在跨平台问题。

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四、位段的应用

1. 使用位段定义IP数据报格式的头部各个字段

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总结

本篇文章介绍c语言位段的基本使用，以及存储方式，最后介绍位段的应用。

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