signed

QiShunwang

“诚信为本、客户至上”

浅析C语言位域和位段

2021/6/3 17:53:00   来源:

C结构体之位域(位段)
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
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:

复制代码 代码如下:

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:

复制代码 代码如下:

struct bs
{
    unsigned a:4
    unsigned b:5 /*从下一单元开始存放*/
    unsigned c:4
}

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。

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:

复制代码 代码如下:

struct k
{
    int a:1
    int :2 /*无位域名,该2位不能使用*/
    int b:3
    int c:2
};

二、位域的使用
下面例子是参加一个公司(白领科技-青岛)的笔试遇到的,当时做错了,为了怕忘了,赶紧写下来。
复制代码 代码如下:

#include <iostream>
  #include <memory.h>
  using namespace std;
  struct A
  {
      int a:5;
      int b:3;
  };
  int main(void)
 {
     char str[100] = "0134324324afsadfsdlfjlsdjfl";
         struct A d;
     memcpy(&d, str, sizeof(A));
     cout << d.a << endl;
     cout << d.b << endl;
     return 0;
 }

在32位x86机器上输出:
复制代码 代码如下:

?
$ ./langxun.exe
-16
1

解析:在默认情况下,为了方便对结构体内元素的访问和管理,当结构体内的元素长度都小于处理器的位数的时候,便以结构体里面最长的元素为对其单位,即结构体的长度一定是最长的数据元素的整数倍;如果有结构体内存长度大于处理器位数的元素,那么就以处理器的位数为对齐单元。由于是32位处理器,而且结构体中a和b元素类型均为int(也是4个字节),所以结构体的A占用内存为4个字节。

上例程序中定义了位域结构A,两个个位域为a(占用5位),b(占用3位),所以a和b总共占用了结构A一个字节(低位的一个字节)。

当程序运行到14行时,d内存分配情况:

复制代码 代码如下:

 高位 00110100 00110011   00110001    00110000 低位
       '4'       '3'       '1'          '0' 
 其中d.a和d.b占用d低位一个字节(00110000),d.a : 10000, d.b : 001

 d.a内存中二进制表示为10000,由于d.a为有符号的整型变量,输出时要对符号位进行扩展,所以结果为-16(二进制为11111111111111111111111111110000)

 d.b内存中二进制表示为001,由于d.b为有符号的整型变量,输出时要对符号位进行扩展,所以结果为1(二进制为00000000000000000000000000000001)

三、位域的对齐
如果结构体中含有位域(bit-field),那么VC中准则是:

1) 如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof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;

2) 如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;

3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方式(不同位域字段存放在不同的位域类型字节中),Dev-C++和GCC都采取压缩方式;

系统会先为结构体成员按照对齐方式分配空间和填塞(padding),然后对变量进行位域操作。

您可能感兴趣的文章:
  • C语言中结构体、联合体的成员内存对齐情况
  • C语言、C++内存对齐问题详解
  • C语言内存对齐实例详解
  • 深入理解C语言内存对齐
  • 嵌入式项目使用C语言结构体位段特性实现断言宏校验数据范围有效性的方法
  • 解析C语言结构体及位段
  • C语言 位段的详细介绍
  • C语言重难点之内存对齐和位段