C语言位域解析&符号位扩展规则

从一个例子说起：

    int main(void){  
        union{
            int i;
            struct{
                char a : 1;
                char b : 1;
                char c : 2;
            }bits;
        }num;
     
        printf("Input an integer for i(0~15): ");
        scanf("%d", &num.i);
        printf("i = %d, cba = %d %d %d\n", num.i, num.bits.c, num.bits.b, num.bits.a); 
        return 0;
    }

输入i值为11，则输出为i = 11, cba = -2 -1 -1。   为什么？

1，位域的定义

    在结构体的定义中，指定元素所占用的bit数， 并指定类型。 按照结构体的成员调用方式进行调用。

2，位域的内存对应规则

    一个字节按照从高位到低位 bit7 ~ bit0，对于位域的定义，是从低位bit0 开始算起的(注意不是从高位开始对应)。也就是说，上面例子中的位域，在一个字节中对应的存储是 0000 ccba， a在最低位，然后是b，和占两个bit的c。 c成员中按照bit3高位、bit2低位存储。

3，大小端问题

    对于小端来说，低字节存放在低地址中，int的存储从0x00地址到0x03地址，依次是 00001011 00000000 00000000 00000000。

    联合体从头开始，是对内存中数据的截断和强转， 根据刚才位域的存储结构，cc的截断是10， b和a的截断都是1。

4，为什么打印出来是负数？ ---》补码的规则

    在计算机的内存中，所有的数据存储都是按照补码存储的。 对于有符号数来说，正数的补码是正数自身，负数的补码是反码+1。这都没问题。  

    问题的核心还是符号位。计算机里从低精度数向高精度数转换时，比如从char到short， 又比如这里从10两个bit填充为一个char的8个bit， 肯定会在前面扩展一些bit位，从而达到高精度数的长度。那么扩展时，是补0还是补1呢？这里有个原则就是，有符号数扩展符号位，无符号数扩展0。对应到这里也就是1。注意，这里说的是有符号数和无符号数，对于有符号的正数，因为符号位是0，所以也是补零。然而我们在位域的定义中，定义了abc都是有符号的char型。所以在向8位扩展时，因为第一位都是1，所以往前都扩展1，a和b在内存中为11111111, c为11111110，都是补码。按照%d打印出来以后， 就是-1 和 -2。 如果这里定义成 unsigned char，按照定义前面补0，打印结果就会是正数了。