位段 -- 内存布局详解-浅谈C语言

• 位段
  • 位段的介绍
  • 位段使用示例:
  • 位段的内存分配
  • Example
  • 内存分配解析:
  • 位段的跨平台问题

位段

位段的介绍

位段（二进制位）：就是按位存储

位段（bit-field）是C语言中的一种特殊数据类型，它允许将一个字节分成几个部分，并为每个部分指定特定的位数，以便在内存中存储和访问这些部分。

其中位段相较于结构体有两特殊点

1. 位段的成员必须是 int unsigned int或 signed int char（整型家族） ，在C99中位段的成员也可以是其他类型
2. 位段的成员名后跟一个冒号和数字

位段使用示例:

struct S
{
    int a : 2;  //限定2个比特位
    int b : 5;  //限定5个比特位
    int c : 10; //限定10个比特位
    int d : 30; //限定30个比特位
};

位段的内存分配

1.位段的空间上是按照需要以4个字节（int)或者1个字节（char)的方式来开辟的。（...如，int一次开辟4字节32比特位来使用，不够再开辟）
2.位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。（网络编程涉及，网络传输数据包，）
（原因：没有C语言标准，各编译器有所不同。）
位段不能大于32（32位机器），16位则不能大于16位
不给定位段的默认为字节数

Example

struct S
{
    char a : 3;
    char b : 4;
    char c : 5;
    char d : 4;
};
int main()
{
    struct S s = { 0 };
    s.a = 10;// 1010 |  010
    s.b = 20;//10100 | 0100
    s.c = 3; //  011 |00011
    s.d = 4; //  100 | 0100
    return 0;
}

内存分配解析:

1. VS编译器为从左往右一次申请空间,一次1个字节/8个比特位
 -----> 申请空间方向 ----> 
  0000 0000 

2. 然后开始存放a的数据10(D) = 1010(B),a限制为3个比特,多出的比特会被丢弃,即最后保留数据为010(B), 
 --- vs中,每个字节内数据从右往左写入; 
(地址)  0000 0|010

3. 放好a后,开始放b = 20(D) = 10100(B),b限制为4字节,切割b,得到b = 0100(B)
 第一空间放完a后,还剩5个比特,组以容纳b,因此在从四个字节开始(从右往左数),写入b
(地址)  0010 0010(b) 								= 22(h);
(划分)	0 | 0 1 0 0 | 0 1 0   
	   					b        a

4. 接下来放c,c占5个比特位,显然第一个字节不够放了,因此要开辟第二个字节,然后切割c(不超过因此不用切),得到c = 011(b) ;
(地址)  0010 0010		0000 0011
(划分)  0 | 0 1 0 0 | 0 1 0     0 0 0 | 0 0 0 1 1   
			 舍     b         a                  c

5.接下来放d,d占4个字节,显然第2个字节不够放了,因此申请第三个字节,然后切割b,得到100(b);
(地址)  0010 0010		0000 0011 	0000 0100
(划分)	0 | 0 1 0 0 | 0 1 0     0 0 0 | 0 0 0 1 1     0 0 0 0 | 0 1 0 0 
		 	 舍     b        a         舍        c                      d

6.最后转换十六进制,得到
    22					   03						04   (十六进制）
即内存显示：22 03 04

7.还可能会有内存对齐,32位为 22 03 04 00 ....

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没有规定（最高位1当成什么不确定）
2. 位段中最大位的数目不能确定（16位机器最大为16，32位机器最大32。写成27，在16位机器会出问题
3. 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配没有规定(00001111还是11110000)
4. 当一个结构体包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳第一个位段剩余的位时，不确定是舍弃剩余位还是利用。（按类型字节开辟的位不够放时，VS中是舍弃）

跟结构体相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。