C语言编程-位域

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。

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 widthValidated;
  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 widthValidated : 1;
  unsigned int heightValidated : 1;
} status;

现在，上面的结构中，status 变量将占用 4 个字节的内存空间，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>
 
/* 定义简单的结构 */
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( "Memory size occupied by status1 : %d\n", sizeof(status1));
   printf( "Memory size occupied by status2 : %d\n", sizeof(status2));
 
   return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Memory size occupied by status1 : 8
Memory size occupied by status2 : 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。

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。

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。

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：

带有预定义宽度的变量被称为位域。位域可以存储多于 1 位的数，例如，需要一个变量来存储从 0 到 7 的值，您可以定义一个宽度为 3 位的位域，如下：

struct
{
  unsigned int age : 3;
} Age;

上面的结构定义指示 C 编译器，age 变量将只使用 3 位来存储这个值，如果您试图使用超过 3 位，则无法完成。

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

以上代码定义了一个名为 struct bs 的结构体，data 为 bs 的结构体变量，共占四个字节：

对于位域来说，它们的宽度不能超过其数据类型的大小，在这种情况下，int 类型的大小通常是 4 个字节（32位）。

相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的 sizeo f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。

让我们再来看一个实例：

struct packed_struct {
  unsigned int f1:1;
  unsigned int f2:1;
  unsigned int f3:1;
  unsigned int f4:1;
  unsigned int type:4;
  unsigned int my_int:9;
} pack;

以上代码定义了一个名为 packed_struct 的结构体，其中包含了六个成员变量，pack 为 packed_struct 的结构体变量。

在这里，packed_struct 包含了 6 个成员：四个 1 位的标识符 f1..f4、一个 4 位的 type 和一个 9 位的 my_int。

让我们来看下面的实例：

#include <stdio.h>

struct packed_struct {
   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;

   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;
}

以上实例定义了一个名为 packed_struct 的结构体，其中包含了多个位域成员。

在 main 函数中，创建了一个 packed_struct 类型的结构体变量 pack，并分别给每个位域成员赋值。

然后使用 printf 语句打印出每个位域成员的值。

输出结果为：

f1: 1
f2: 0
f3: 1
f4: 0
type: 7
my_int: 255

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
struct
{
  unsigned int age : 3;
} 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;
}

当上面的代码被编译时，它会带有警告，当上面的代码被执行时，它会产生下列结果：

Sizeof( Age ) : 4
Age.age : 4
Age.age : 7
Age.age : 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;
}

以上实例中，example1 结构体包含三个位域成员 a，b 和 c，它们分别占用 4 位、5 位和 7 位。

通过 sizeof 运算符计算出 example1 结构体的字节数，并输出结果：

Size of example1: 4 bytes

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 */
}

上例程序中定义了位域结构 bs，三个位域为 a、b、c。说明了 bs 类型的变量 bit 和指向 bs 类型的指针变量 pbit。这表示位域也是可以使用指针的。

结构体内存分配原则

原则一：结构体中元素按照定义顺序存放到内存中，但并不是紧密排列。从结构体存储的首地址开始 ，每一个元素存入内存中时，它都会认为内存是以自己的宽度来划分空间的，因此元素存放的位置一定会在自己大小的整数倍上开始。

原则二： 在原则一的基础上，检查计算出的存储单元是否为所有元素中最宽的元素长度的整数倍。若是，则结束；否则，将其补齐为它的整数倍。

测试实例：

#include <stdio.h>

typedef struct t1{
    char x;
    int y;
    double z;
}T1;

typedef struct t2{
    char x;
    double z;
    int y;
}T2;

int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("sizeof(T1) = %lu\n", sizeof(T1));
    printf("sizeof(T2) = %lu\n", sizeof(T2));

    return 0;
}

输出：

sizeof(T1) = 16
sizeof(T2) = 24

解析

sizeof(T1.x) = sizeof(T2.x) = 1; 
sizeof(T1.y) = sizeof(T2.y) = 4; 
sizeof(T1.z) = sizeof(T2.z) = 8;

T1: 若从第 0 个字节开始分配内存，则 T1.x 存入第 0 字节，T1.y 占 4 个字节，由于第一的 4 字节已有数据，所以 T1.y 存入第 4-7 个字节，T1.z 占 8 个字节，由于第一个 8 字节已有数据，所以 T1.z 存入 8-15 个字节。共占有 16 个字节。

T2: 若从第 0 个字节开始分配内存，则 T1.x 存入第 0 字节，T1.z 占 8 个字节，由于第一的 8 字节已有数据，所以 T1.z 存入第 8-15 个字节，T1.y 占 4 个字节，由于前四个 4 字节已有数据，所以 T1.z 存入 16-19 个字节。共占有 20 个字节。此时所占字节不是最宽元素（double 长度为 8）的整数倍，因此将其补齐到 8 的整数倍，最终结果为 24。