Linux 系统编程 —— 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：

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 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：

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

举个例子：

普通结构体内存示例：

struct
{
    double   a;//8 8 8  0-7 
    char     b;//1 8 1     8    8-11浪费
    int      c;//4 8 4    12-15
    int      d;//4 8 4    16-19   20-24浪费
}S;

解析：（vs下默认对齐数为8，linux下为4，以下环境为vs）

1.结构体中第一个成员a放在0偏移处，a是double类型，占8个字节，对齐数为8，从0偏移处开始往后放，0-7.

2.b占1个字节，对齐数为1（b自身大小为1，默认为8，较小值为1，即对齐数为1），8是1的倍数，所以从8偏移处开始放，8.

3.c占4个字节，对齐数为4，9-11浪费，从12开始放c,12-15.

4.d占4个字节，对齐数为4,16是4的倍数，从16开始放，16-19.

5.0-19是20个字节，最大对齐数为8,8的倍数最小的为24，20-24浪费.

6.因此，该结构体的大小为24.

 

位段大小的计算，及计算机的存储方式：

struct 
{
    int  a : 2;
    int  b : 10;
    int  c : 5;
    int  d : 20;
}S;

注意：

（1）位段成员的类型必须指定为unsigned或int类型。

（2）一个位段必须存储在同一存储单元中，不能跨两个单元。如果第一个单元空间不能容纳下一个位段，则该空间不用，而从下一个单元起存放该位段。

（3）可以定义无名位段。

（4）从图中可以看出位段是如何存储的，a、b、c放在一个存储单元，为4个字节，剩下的空间放不下d,放在下一个存储单元中，占4个字节，共占8个字节。

二、位域的使用

#include 
#include 
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：

$ ./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：

 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。

四、位域与数据类型uint8_t uint16_t uint32_t uint64_t size_t ssize_t

参考：https://blog.csdn.net/lzx_bupt/article/details/7066577

C语言中好像没有这种数据类型，但是在实际应用的过程中，发现许多人的代码中都存在这种表示方式。其实uintX-t就是通过typedef定义的，利用预编译和typedef可提高效率也方便代码移植。总结如下：

    typedef unsigned char   uint8_t;     //无符号8位数

    typedef signed   char   int8_t;      //有符号8位数

    typedef unsigned int    uint16_t;    //无符号16位数

    typedef signed   int    int16_t;     //有符号16位数

    typedef unsigned long   uint32_t;    //无符号32位数

    typedef signed   long   int32_t;     //有符号32位数

    typedef float           float32;     //单精度浮点数

    typedef double          float64;     //双精度浮点数

一般来说整形对应的*_t类型为：
    uint8_t为1字节    

    uint16_t为2字节  

    uint32_t为4字节    

    uint64_t为8字节    

 

uint8_t / uint16_t / uint32_t /uint64_t 是什么数据类型

这些数据类型是 C99 中定义的，具体定义在：/usr/include/stdint.h    ISO C99: 7.18 Integer types
 

#ifndef __int8_t_defined
# define __int8_t_defined
typedef signed char             int8_t; 
typedef short int               int16_t;
typedef int                     int32_t;
# if __WORDSIZE == 64
typedef long int                int64_t;
# else
__extension__
typedef long long int           int64_t;
# endif
#endif
 
/* Unsigned.  */
typedef unsigned char           uint8_t;
typedef unsigned short int      uint16_t;
#ifndef __uint32_t_defined
typedef unsigned int            uint32_t;
# define __uint32_t_defined
#endif
#if __WORDSIZE == 64
typedef unsigned long int       uint64_t;
#else
__extension__
typedef unsigned long long int  uint64_t;
#endif

格式化输出：

unit64_t     %llu   

unit32_t     %u

unit16_t    %hu

unit8_t    %d

举例：

#include
#include

struct A
{
        uint8_t a:1;
        uint8_t b:4;
};
int main()
{

        struct A myA;
        printf("A size is %d\n",sizeof(myA));
        myA.a=1;
        myA.b=13;
        printf("myA.a is %c\n",myA.a);
        printf("myA.a is %d\n",myA.a);
        printf("myA.b is %c\n",myA.b);
        printf("myA.b is %d\n",myA.b);
        printf("end\n");

        return 0;
}

32位系统输出结果：

[root@localhost tmp]# ./a.out 
A size is 1
myA.a is 
myA.a is 1
myA.b is 
myA.b is 13
end