C 迷你系列（四） 位域

位域

位段（或称“位域”，Bit field）为一种 数据结构，可以把数据以 位元 的形式紧凑的储存，并允许程序员对此结构的位元进行操作。

好处

• 可以使数据单元节省储存空间，当程序需要成千上万个数据单元时，这种方法就显得尤为重要。
• 段可以很方便的访问一个 整数 值的部分内容从而可以简化程序源代码。

缺点

而位域这种数据结构的缺点在于，其内存分配与内存对齐的实现方式依赖于具体的机器和系统，在不同的平台可能有不同的结果，这导致了位段在本质上是不可移植的。

C 中的位域

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 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。在声明时，位段成员必须是整形或枚举类型（通常是无符号类型），且在成员名的后面是一个冒号和一个整数，整数规定了成员所占用的位元数。位域不能是静态类型。不能使用 & 对位域做取地址运算，因此不存在位域的指针，编译器通常不支持位域的引用（reference）。以下程序则展示了一个位域的声明：

例 1

struct p_t
{
    int a:5;
    int b:2;
    int c:9;
} p;

对于变量 p 来说，p 有三个成员：a、b、c，其中：a 占 5 位，b 占用 2 位，c 占用 9 位。那么 p 占用 16 位，即 2 字节！错～，总共占用 4 字节。不信？

struct p_t
{
    int a:5;
    int b:2;
    int c:4;
} p;

int main()
{
    printf("size of p is %lu\n", sizeof p);
    return 0;
}
--- output
size of p is 4

不是说是按位存储吗？怎么会是 4 字节呢？

image.png

从图中我们可以看出，a、b、c 共用了一个 int 的内存空间，一个 int 是 4 个字节，所以不管你用没用完，都至少是一个 int 内存。

例 2

struct p_t
{
    unsigned char a:4;
    unsigned char b:4;
} p;

int main()
{
    printf("size of p is %lu\n", sizeof p);
    return 0;
}
-- output
size of p is 1

两个 char 占用 2 字节，a 占用 4 位，b 占用 4 位，所以总共占用 1 字节。

image.png

例 3

struct p_t
{
    unsigned char a:9;
    unsigned char b:4;
} p;

有人可能会想到这样声明，但是该声明不会通过编译，报错 Width of bit-field 'a' (9 bits) exceeds width of its type (8 bits)，因为 char 本身占用 1 字节 8 位，而声明位域 9 位，明显超过了 char 的空间，所以会报错。
Tips

位域所占位数不能超过对应的类型字节空间，比如：char 类型，位域不能超过 8 位；int 类型，位域不能超过 32 位。

例 4

struct p_t
{
    unsigned char a:4;
    unsigned char b:5;
} p;
--- output
size of p is 2

a 和 b 是相同类型的变量，但是 a、b 总的位数已经超过 1 字节，那么 b 就会存放到新的字节空间中，如图：

image.png

例 5

struct p_t
{
    unsigned char  a:4;
    unsigned short b:4;
} p;
--- output
size of p is 2

由于 a、b 类型不同，在我的编辑器上，将 a 存储到空间比较大的 b 上，共用 short 空间，也就是 2 字节。如果我们让 b 是 13 位，看看会发生什么？

struct p_t
{
    unsigned char  a:4;
    unsigned short b:13;
} p;
--- output
size of p is 4

我们发现总共占用 4 字节，为什么是 4 字节呢？a、b 总共 17 位，占用三个字节，由于存在内存对齐，需要额外的补 1 字节作为对齐（关于内存对齐的知识参考前一篇文章）。

例 6

struct p_t
{
    unsigned char a: 2;
    unsigned char   : 2;
    unsigned char b: 4;
} p;
--- output
size of p is 1

在 a 与 b 之间有个无名的位域，位数为 2，那么意思就是说这两位留空，b 存储在这两位之后，如图：

image.png

例 7

struct p_t
{
    unsigned char a: 2;
    unsigned char   : 0;
    unsigned char b: 4;
} p;
--- output
size of p is 2

这次无名位域的值位 0，我们发现总的内存占用变成了 2 字节，也就是说如过无名位域是 0 的话，那么会强制后续的位域在新的空间中分配。注意：只有无名位域才可能为 0。

例 8

struct p_t
{
    unsigned char a: 2;
    unsigned char b;
    unsigned char c: 4;
} p;
--- output
size of p is 3

如果中间穿插非位域成员，会强制后续字段在新的空间分配（前提是位域类型相同，如果说不同的类型，不同的编译器会有不同的优化方式）。

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参考

• 【维基百科】