[转] C中的位域

一、位域

　　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， 用一位二进位即可。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。一、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： 类型说明符 位域名：位域长度

　　例如：

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


　　位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。 可采用先定义后说明，同时定义说明或者直接说明这三种方式。例如：

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

　　说明data为bs变量，共占两个字节。其中位域a占8位，位域b占2位，位域c占6位。对于位域的定义尚有以下几点说明：

　　1. 一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应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 :0 /*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。

　　2. 由于位域不允许跨两个字节，因此位域的长度不能大于一个字节的长度，也就是说不能超过8位二进位。
　
　　3. 位域可以无位域名，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。

　　二、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 位域允许用各种格式输出。

main(){
　struct bs
　{
　　unsigned a:1;
　　unsigned b:3;
　　unsigned c:4;
　} bit,*pbit;
　bit.a=1;
　bit.b=7;
　bit.c=15;
　printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c);
　pbit=&bit;
　pbit->a=0;
　pbit->b&=3;
　pbit->c|=1;
　printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);
}

　　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。

　　程序的9、10、11三行分别给三个位域赋值。( 应注意赋值不能超过该位域的允许范围)程序第12行以整型量格式输出三个域的内容。第13行把位域变量bit的地址送给指针变量pbit。第14行用指针方式给位域a重新赋值，赋为0。第15行使用了复合的位运算符"&="， 该行相当于： 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)。同样，程序第16行中使用了复合位运算"|="， 相当于： pbit->c=pbit->c|1其结果为15。程序第17行用指针方式输出了这三个域的值。

 

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这也是在ChinaUnix上看了几篇关于C语言'位域(Bit Fields)'的帖子之后，才想写下这篇文章的。其实在平时的工作中很少使用到'位域'，我是搞服务器端程序设计的，大容量的内存可以让我毫不犹豫的任意'挥霍'^_^。想必搞嵌入式编程的朋友们对位域的使用应该不陌生吧。这里我也仅仅是凭着对C语言钻研的兴趣来学习一下'位域'的相关知识的，可能有些说法没有实践，缺乏说服力。

具体也不是很清楚当年C语言的创造者为什么要加入位域这一语法支持，那是太遥远的事情了，我们不需要再回顾了，既然大师们为我们创造了它，我们使用便是了。

毋庸置疑，位域的引入给用户的最大的好处莫过于可以有效的利用'昂贵'的内存和操作bit的能力了。而且这种操作bit位的能力很是方便，利用结构体域名即可对这些bit进行操作。例如：

struct foo {
 int a : 1;
 int b : 2;
 short c : 1;
};

struct foo aFoo;
aFoo.a = 1;
aFoo.b = 3;
aFoo.c = 0;

通过结构体实例.域名即可修改某些bit得值，这些都是编译器的'甜头'。当然我们也可以自己通过一些'掩码'和移位操作来修改这些bit，当然如果不是十分需要，我们是不需要这么做的。

位域还提供一种叫'匿名'位域的语法，它常用来'填缺补漏'，由于是'匿名'，所以你不能像上面那样去访问它。如：
struct foo1 {
 int a : 1;
 int   : 2;
 short c : 1;
};
在foo1的成员a和c之间有一个2 bits的匿名位域。

在foo结构体的定义中，成员a虽然类型为int，但是它仅仅占据着4个字节中的一个bit的空间；类似b占据2个bit空间，但是b到底是占据第一个int的2个bit空间呢还是第二个int的2个bit空间呢？这里实际上也涉及到如何对齐带有'位域'的结构体这样一个问题。我们来分析一下。

我们再来看看下面两个结构体定义：
struct foo2 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        char    c : 1;
};

struct foo3 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        char    c : 7;
};
我们来打印一下这两个结构体的大小，我们得到的结果是：
sizeof(struct foo2) = 1
sizeof(struct foo3) = 2
显然都不是我们期望的，如果按照正常的内存对齐规则，这两个结构体大小均应该为3才对，那么问题出在哪了呢？首先通过这种现象我们可以肯定的是：带有'位域'的结构体并不是按照每个域对齐的，而是将一些位域成员'捆绑'在一起做对齐的。以foo2为例，这个结构体中所有的成员都是char型的，而且三个位域占用的总空间为6 bit < 8 bit(1 byte)，这时编译器会将这三个成员'捆绑'在一起做对齐，并且以最小空间作代价，这就是为什么我们得到sizeof(struct foo2) = 1这样的结果的原因了。再看看foo3这个结构体，同foo2一样，三个成员类型也都是char型，但是三个成员位域所占空间之和为9 bit > 8 bit(1 byte)，这里位域是不能跨越两个成员基本类型空间的，这时编译器将a和b两个成员'捆绑'按照char做对齐，而c单独拿出来以char类型做对齐，这样实际上在b和c之间出现了空隙，但这也是最节省空间的方法了。我们再看一种结构体定义：

struct foo4 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        int c : 1;
};

在foo4中虽然三个位域所占用空间之和为6 bit < 8 bit(1 byte)，但是由于char和int的对齐系数是不同的，是不能捆绑在一起，那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐，c单独按照int对齐呢？我们打印一下sizeof(struct foo4)发现结果为4，也就是说编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。

通过上面的例子我们发现很难总结出很规律性的东西，但是带有'位域'的结构体的对齐有条原则可以遵循，那就是："尽量减少结构体的占用空间"。当然显式的使用内存对齐的机会也并不多。