位段和位域

参考资料：位域（位段）用法，对齐机制_位域操作_~QwQ~的博客-CSDN博客

位域是指：数据在存储时不需要一个完整的字节，只需要占用一个或者几个二进制位，为了更好的使用内存空间，C语言提供了位域这种数据结构

在定义结构体时直接指定某个成员变量占用的二进制位数（BIT）

在 ： 后面数字来限定成员变量占用的位数

#include 
#include 

typedef struct {
	uint8_t value_1 : 1;
	uint8_t value_2 : 3;
	uint8_t value_3 : 4;
}BitUnion;

int main() {
	BitUnion data;
	data.value_1 = 1;
	data.value_2 = 3;
	data.value_3 = 10;
	printf("data = 0x%x, sizeof_data = %d", data, sizeof(data));
	return 0;
}

在上面给定的位域结构中，高位为value_1，但是这里也有大段存储和小段存储的区别；
这里插播一下大小端存储的简单介绍：大小端存储是计算机用于处理多字节数据的不同方式，在内存中存储多字节数据时，字节的存储习惯
大端存储是指（Big-endian）将多字节数据的高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址，就是从左边往右边读

小端存储是指（Little-endian)将多字节数据的低位字节存储在低地址中，高位字节存储在高地址中，就是从右边往左边读。
大端存储和小端储存的选择一般是由计算机体系结构决定的，X86架构使用小端存储，在arm架构使用的是大端存储。

参考文献：存储概念|详解大小端存储_大端存储和小端存储_DADONGOOO的博客-CSDN博客

 如上示例所示：value_1、value_2、value_3分别使用1个bit位、3个bit位、4个bit位，共使用了8个bit即一个字节
打印结果位为 ：data = 0xa7, sizeof_data = 1

 位域的对齐：内存对齐机制

计算机内存是以字节为单位进行划分的，CPU通过地址总线访问内存时，一次能处理多少字节的数据就会让地址总线读几个字节的数据，32位的CPU一次处理4字节的数据，每次就从内存中读取4字节的数据，少了浪费主频，多了没有哟个。64位的处理器每次读取8字节。

对于程序中变量来说，变量最好位于一个寻址步长范围内，这样一次就可以读取到变量的值，如果跨步长存储，就需要读取两次，然后拼接数据，效率低下。

内存对齐与硬件相关，但是决定对齐方式是编译器，可以通过编译器修改。

#include 
#include 

typedef struct {
	uint8_t value_1 : 4;
	uint8_t value_2 : 8;
	uint8_t value_3 : 4;
}BitUnion;

typedef struct {
	uint8_t value_1 : 4;
	uint8_t value_2 : 4;
	uint8_t value_3 : 8;
}BitUnion1;

int main() {
	BitUnion data;
	BitUnion1 data1;
	memset(&data, 0 ,sizeof(data));
	memset(&data1, 0, sizeof(data1));

	data.value_1 = 0xf;
	data.value_2 = 0xff;
	data.value_3 = 0xf;
	uint8_t* P_data = (uint8_t*)&data;
	for (uint8_t i = 0; i < sizeof(data); i++) {
		printf("data[%d] = 0x%x\r\n", i, P_data[i]);
	}

	data1.value_1 = 0xf;
	data1.value_2 = 0xf;
	data1.value_3 = 0xff;
	uint8_t* P_data1 = (uint8_t*)&data1;
	for (uint8_t i = 0; i < sizeof(data1); i++) {
		printf("data[%d] = 0x%x\r\n", i, P_data1[i]);
	}
	return 0;
}

上示例 BitUnion 与预期设计有误的原因是由位域的具体存储规则导致的：
当相邻成员的类型相同时，如果它们的位宽之和小于类型的 sizeof 大小，那么后面的成员紧邻前一个成员存储，直到不能容纳为止；
如果它们的位宽之和大于类型的 sizeof 大小，那么后面的成员将从新的存储单元开始，其偏移量为类型大小的整数倍。
 

位段：

位段也叫位域，位段会在结构体的基础规定每个成员变量的大小，大小的单位是二进制位。

在有些信息存储时，并不需要占用一整个字节，而只需要一个或几个二进制位的大小空间，例如在存放一个开关量时，只有 0 和 1 两种状态，用 1 位二进位即可。