24.位域-
- 1.概念
C 语言的位域（bit-field）是一种特殊的结构体成员，允许我们按位对成员进行定义，指定其占用的位数。
位域允许我们将多个变量打包到一个整数内存单元中，通过指定变量占用的位数来节省空间。
如果程序的结构中包含多个开关的变量，即变量值为 TRUE/FALSE，如下：
struct
{
unsigned int widthValiedated;
unsigned int heightValidated;
} status;
这种结构需要 8 字节的内存空间，但在实际上，在每个变量中，我们只存储 0 或 1，在这种情况下，C 语言提供了一种更好的利用内存空间的方式。如果您在结构内使用这样的变量，您可以定义变量的宽度来告诉编译器，您将只使用这些字节。例如，上面的结构可以重写成：
struct
{
unsigned int widthValiedated : 1;
unsigned int heightValidated : 1;
} status;
上述代码解析：
- 理论存储需求
widthValidated：1位（0或1） ，表示的是这个值的二进制所占的位数
heightValidated：1位（0或1）
理论上只需要 2位（不足1字节）
- 实际内存占用（4字节）的原因
内存对齐规则：C标准规定位域的底层存储单元是某种整数类型（如unsigned int）
最小分配单位：即使你只用了2位，编译器仍然会分配一个完整的unsigned int单元（通常是4字节）
不可分割性：位域不能跨存储单元分配
- 内存布局示例
[整个unsigned int（4字节/32位）]
| 31...2 | 1 | 0 |
| 未使用 | heightValid | widthValid |
上面的结构中，status 变量将占用 4 个字节(32位)的内存空间，但是只有 2 位被用来存储值。如果您用了 32 个变量，每一个变量宽度为 1 位，那么 status 结构将使用 4 个字节，但只要您再多用一个变量，如果使用了 33 个变量，那么它将分配内存的下一段来存储第 33 个变量，这个时候就开始使用 8 个字节。让我们看看下面的实例来理解这个概念：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/*定义简单结构*/
struct
{
unsigned int widthValidated;
unsigned int heightValidated;
} status1;
/*定义位域结构*/
struct
{
unsigned int widthValidated : 1;
unsigned int heightValidated : 1;
} status2;
int main()
{
printf("status1 占用的内存大小为：%d\n", sizeof(status1));
printf("status2 占用的内存大小为：%d\n", sizeof(status2));
return 0;
}
//输出
8
4
-
位域的特点和使用方法如下：
- 定义位域时，可以指定成员的位域宽度，即成员所占用的位数。
- 位域的宽度不能超过其数据类型的大小，因为位域必须适应所使用的整数类型。
- 位域的数据类型可以是 int、unsigned int、signed int 等整数类型，也可以是枚举类型。
- 位域可以单独使用，也可以与其他成员一起组成结构体。
- 位域的访问是通过点运算符（.）来实现的，与普通的结构体成员访问方式相同。
-
2.位域声明
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 1 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。
如：
[整个unsigned int（4字节/32位）]
| 31...2 | 1 | 0 |
| 未使用 | heightValid | widthValid |
-
典型的实例：
- 用 1 位二进位存放一个开关量时，只有 0 和 1 两种状态。
- 读取外部文件格式——可以读取非标准的文件格式。例如：9 位的整数。
-
3.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：type [member_name] : width ;
下面是有关位域中变量元素的描述：
| 元素 | 描述 |
|---|---|
| type | 只能为 int(整型)，unsigned int(无符号整型)，signed int(有符号整型) 三种类型，决定了如何解释位域的值。 |
| member_name | 位域的名称。 |
| width | 位域中位的数量。宽度必须小于或等于指定类型的位宽度。 |
案例
#include <stdio.h>
struct packed_struce {
unsigned int f1 : 1; //1位的位域
unsigned int f2 : 1; //1位的位域
unsigned int f3 : 1; //1位的位域
unsigned int f4 : 1; //1位的位域
unsigned int type : 4; //4位的位域
unsigned int my_int : 9; //9位的位域
};
int main(){
struct packed_struct pack;
//赋值
pack.f1 = 1;
pack.f2 = 0;
pack.f3 = 1;
pack.f4 = 0;
pack.type = 7;
pack.my_int = 255;
printf("f1: %u\n", pack.f1);
printf("f2: %u\n", pack.f2);
printf("f3: %u\n", pack.f3);
printf("f4: %u\n", pack.f4);
printf("type: %u\n", pack.type);
printf("my_int: %u\n", pack.my_int);
return 0;
}
//输出
f1: 1
f2: 0
f3: 1
f4: 0
type: 7
my_int: 255
- 刨析案例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct {
unsigned int age : 3; // 3位位域，可表示0~7
} Age;
int main( )
{
Age.age = 4;
printf( "Sizeof( Age ) : %d\n", sizeof(Age) );
printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
Age.age = 7;
printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
Age.age = 8; // 二进制表示为 1000 有四位，超出
printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
return 0;
}
//输出
Sizeof( Age ) : 4
Age.age : 4
Age.age : 7
Age.age : 0
关键点：
-
age : 3 表示这个成员只占用3个二进制位
-
3位无符号整数的取值范围是 0~7（2^3 - 1）
-
当你尝试 Age.age = 8 时：
- 8的二进制是 1000（需要4位表示）
- 超出3位的存储能力
-
具体执行过程
代码 说明 输出结果
Age.age = 4 4的二进制是 100（3位内）正常存储 Age.age : 4
Age.age = 7 7的二进制是 111（刚好3位）正常存储 Age.age : 7
Age.age = 8 8需要 1000（4位）超出3位限制发生截断 Age.age : 0（异常）
-
为什么输出0
-
当赋值超出位域范围时：
- 编译器会截断高位，只保留低位
- 对于 8（二进制 1000）：
- 取最后3位 000
- 结果是 0
-
计算字节数：
#include <stdio.h>
struct example1 {
int a : 4;
int b : 5;
int c : 7;
};
int main() {
struct example1 ex1;
printf("Size of example1: %lu bytes\n", sizeof(ex1));
return 0;
}
//输出
Size of example1: 4 bytes
- 对于位域的定义尚有以下几点说明：
一个位域存储在同一个字节中，如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，则会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 :4; /* 空域 */
unsigned b:4; /* 从下一单元开始存放 */
unsigned c:4
}
在这个位域定义中，a 占第一字节的 4 位，后 4 位填 0 表示不使用，b 从第二字节开始，占用 4 位，c 占用 4 位。
位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度，成员变量都是有类型的，这个类型限制了成员变量的最大长度，: 后面的数字不能超过这个长度。
位域可以是无名位域，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：
struct k{
int a:1;
int :2; /* 该 2 位不能使用 */
int b:3;
int c:2;
};
从以上分析可以看出，位域在本质上就是一种结构类型，不过其成员是按二进位分配的。
- 位域的使用
位域的使用和结构成员的使用相同，其一般形式为：
位域变量名.位域名
位域变量名->位域名
位域允许用各种格式输出。
请看下面的实例：
#include <stdio.h>
int main(){
struct bs{
unsigned a:1;
unsigned b:3;
unsigned c:4;
} bit,*pbit;
bit.a=1; /* 给位域赋值（应注意赋值不能超过该位域的允许范围） */
bit.b=7; /* 给位域赋值（应注意赋值不能超过该位域的允许范围） */
bit.c=15; /* 给位域赋值（应注意赋值不能超过该位域的允许范围） */
printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c); /* 以整型量格式输出三个域的内容 */
pbit=&bit; /* 把位域变量 bit 的地址送给指针变量 pbit */
pbit->a=0; /* 用指针方式给位域 a 重新赋值，赋为 0 */
pbit->b&=3; /* 使用了复合的位运算符 "&="，相当于：pbit->b=pbit->b&3，位域 b 中原有值为 7，与 3 作按位与运算的结果为 3（111&011=011，十进制值为 3） */
pbit->c|=1; /* 使用了复合位运算符"|="，相当于：pbit->c=pbit->c|1，其结果为 15 */
printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c); /* 用指针方式输出了这三个域的值 */
}
浙公网安备 33010602011771号