位段与枚举

目录

1、位段

1、位段的声明

2、位段的内存分配特点

3、位段的跨平台问题

4、位段的应用

2、枚举

1、枚举类型的定义

2、枚举的优点

3、联合体（共用体） 

1、联合类型的定义

2、联合体的特点即大小计算

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1、位段

1、位段的声明

位段的位指的是二进制位。

位段的声明与结构体相似，但需要加上下划线_和冒号：

位段的成员必须是int，signed int，unsigned int，在大部分平台上，char类型也可以，即整型家族

例如这一段代码，给abcd分别分配了2  5   10   30 个比特位的空间。

给每个变量以比特位为单位的空间，以节省空间。（经计算，A的大小为8byte）

同时，对于int类型的abcd，给他们分配的空间是不能大于整型本身的32bit的。

即位段是一种更节省空间的结构体类型，但成员只能是整型家族。 

2、位段的内存分配特点

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （属于整形家族）类型
2. 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。（每次开辟一定空间后使用，如果不够用再开辟）
3. 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。

对于上面的例子，int类型创建4个字节32位，a需要2bit，还剩30，继续分配b5bit，还剩25，继续分配c10bit，还剩15bit，空间无法容纳d所需的30bit，此时就需要重新开辟4byte空间的大小。因此，最终A的大小为8byte。

然而，在我们上述分析的过程中存在两个个问题。

1、分配完c后，第一次开辟的4byte中剩下的15bit，是否会被利用起来存放d的一部分内容，还是直接浪费掉？

2、每次开辟出来4byte空间的大小，我们的数据是从高地址开始存放，还是低地址？这其中是否还存在大小端字节序存储的问题？是否与编译器的实现有关？

下面我们来验证其在VS2022环境中的内存开辟和使用规则。

在VS中我们发现，由于每次开辟1个byte（char），或int每次开辟4byte，都是从低地址向高地址开辟（已经在内存中开辟，不是形成后往内存中放），用完后再开辟别的，因此不存在大小端字节序存储的问题。但是存在数据从这段空间的低位开始存储，还是高位开始存储的问题 。

VS2022中，是从这段空间的低位开始存储数据，并且多余的空间在开辟下一段空间前会被浪费。

同时，位段是不存在内存对齐的。因为本身就是为了节约空间的。

再拆开细节来说，内存对齐是由于平台原因和性能（即时间）原因两方面考虑的。

位段中由于都是整型家族，且位段的使用一般是连续的char或int类型，与cpu可以较好的兼容，因此在速度、性能上具有优势。（结构体是拿空间换时间，性能由于内存对齐也有优势）。

同时对于内存较小的数据可以更精确的集中处理，结构体只能让小的尽可能集中。

3、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是不确定的。
2. 位段中最大位的数目不能确定。（16位机器最大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，还是从右向左分配标准尚未定义。
4. 当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是
舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。

4、位段的应用

在计算机网络中，例如AB两用户间数据的传输，还需要对其进行封装。封装的过程就会对空间进行额外的消耗。在如今大数据时代，我们传输的每个信息如果都要浪费不必要的空间，就会导致严重的空间浪费。因此，对于封装部分的额外数据（例如仅占用4bit或8bit），最好使用位段实现，使其“小巧”一些，即避免了空间的浪费，也进一步提高了性能，提高传输速度。（网络负载减少）

总的来说，位段就是结构体在节约空间方面的延伸，但是具有跨平台方面的问题，且成员只能是整型家族。

2、枚举

1、枚举类型的定义

把可能的取值一 一列举出来。几个可能的取值间用，分隔。

male female 都是常量，不过常量也需要一个初始值，可以对其初始化。后面递增1。不初始化，第一个默认为0。

 对于枚举类型的变量s，可以给它赋值一个枚举类型的常量female，如果给它赋值一个3,3为整型类型，理论上是不可以的，在C++标准中是错误的，C语言不会报错。

2、枚举的优点

我们可以使用 #define 定义常量，为什么非要使用枚举？
枚举的优点：
1. 增加代码的可读性（通讯录case）和可维护性
2. 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
3. 防止了命名污染（封装）
4. 便于调试
5. 使用方便，一次可以定义多个常量

枚举常量是存放整型的，因此其大小为4byte

3、联合体（共用体） 

1、联合类型的定义

联合也是一种特殊的自定义类型。这种类型定义的变量也包含一系列的成员。特点是这些成员公用同一块空间。

 c和i两个变量一般不会同时使用。

2、联合体的特点即大小计算

1、联合的成员是共用同一块内存空间的，这样一个联合变量的大小，至少是最大成员的大小（因为联合至少得有能力保存最大的那个成员）。

2、当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍的时候，就要对齐到最大对齐数的整数倍。（与位段不同，因为位段只包含整型家族，联合体包含其他元素，不对齐可能会使性能下降）。

面试题，判断机器的大小端存储。

char*pa=（char*）&a，强制类型转换为char*判断第一个字节的内容是否为1。

 封装成函数

 位段、枚举、联合、结构体都是自定义类型，要区分它们的优缺点，以及适合的使用场景。

联合的成员一般不同时使用，即可以不同时存在，也可以一定程度上节省空间。