【C语言】结构体实现位段

引言

对位段进行介绍，什么是位段，位段如何节省空间，位段的内存分布，位段存在的跨平台问题，及位段的应用。

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引言

什么是位段？

位段的作用

位段是如何节省空间？位段的内存分配

位段的内存分配

位段的跨平台问题

        

位段的应用

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什么是位段？

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1. 位段的成员必须是整形家族的类型
2. 位段的成员名后面有一个冒号和一个数字。

冒号后面的数字表示的是这个变量将使用多大的内存（单位是比特位）。

int _n : 2 表示的是_n这个整形变量本来是4个字节（也就是32个比特位） ，但是现在要将它的内存缩减到2个比特位。

struct A
{
	int _n : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

整形家族的介绍： 

整形类型不仅包括基本整形，还有短整形，长整形，双长整形，字符型和布尔型。

类型	字节数	取值范围
int（整形）	4	-2147483648~2147483647
short(短整型)	2	-32768~32767
long（长整型）	4/8	-2^31~(2^31-1)
long long(双长型)	8	-2^63~(2^63-1)
char	1	-2^7~(2^7-1)
bool	1	1,0

         

位段的作用

位段的作用就是节省空间。当我们有一些成员的取值范围有限的时候，所需要的内存空间也不需要太多的空间。

比如说布尔类型

只需要表示真或者假，1表示真，0表示假。实际上布尔类型的变量只占有1个比特位，（1个字节代表着8个比特位），如果使用位段就可以帮助我们节省大量的空间。 

由此，位段所执行的大小不能大于这个变量类型本身的大小，不然就会报错。

        

位段是如何节省空间？位段的内存分配

下面是刚才给大家做示范的例子，我们现在看这个位段所占用的空间：

#include 
struct A
{
	int _n : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));
	return 0;
}

 _n,_b,_c,_d这四个变量的大小加在一起，一共是47个比特位，那就是需要6个字节的大小。

但是，我们发现struct A的大小不仅仅是6个字节，而是8个字节。

这就说明位段中内存分布不仅仅是简单组合，顺序地一个紧挨着一个地存放。

        

位段的内存分配

1. 位段的成员可以是整形家族的类型
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
3. 位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注意可移植的程序应该避免使用位段

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 

1.例子

下面位段的大小是8个字节

struct A
{
	int _n : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

解析struct A的内存分布： 

还是拿这个例子给大家举例：

因为是位段都是int类型，所以这里位段的空间按照4个字节的方式开辟。

首先开辟4个字节来存放内存。

_n是2个比特位，_b是5个比特位，_c是10个比特位，一共是17个比特位

放在4个字节（32个比特位/一个整形大小）当中，剩下15个比特位。

是不足够放下_d（30个比特位），所以另外开辟一个整型大小（4个字节/32个比特位），将_d放进去。

_n,_b,_c放在前面的一个整形，_d放在后面的一个整形。

一共是两个整形，就是8个字节。

         

  2.例子

下面位段的大小是3个字节

#include 
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	return 0;
}

         

 解析struct S位段的内存分布：

这个位段都是char 类型，所以这里位段的空间按照1个字节的方式开辟。

1.首先开辟1个字节（8个比特位），来存放数据

a是3个比特位，b是4个比特位，那么开辟的第一个字节就剩下1个比特位，是不足够存放5个比特位的c变量。

2.开辟下一个字节（8个比特位）存放数据

c是5个比特位，这个字节还剩下3个比特位，不足够存放4个比特位的d变量。

3.开辟下一个空间（8个比特位）存放数据

d是4个比特位，将d存放第三个字节中。

         

 解析struct S的数据在内存中的具体分布：

//在位段中的成员被赋值后，观察内存分布	
struct S s = { 0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

struct S在内存中的分布其实是有所差异的，当位段中的成员被赋值后，我们就可以看到位段中的成员是如何分布的。

首先开辟一个字节后，

a=10的二进制数字是01010，位段：3个比特位，所以a的值放入内存中会被裁断，变成010.

b的值是12，位段：4个比特位，所以b存到内存中的值是1100.（数据是以二进制的形式存到内存）

a,b的存放方式如下图：a和b在第一个字节中的排列方式是从右到左的，也就是从高地址向低地址，在一个字节中优先排放高地址。

第二个字节开辟，

c=3的二进制数字是11，位段：5个字节，不足5个字节用0来补充高位，也就是00011.

c的存放方式也是在这个字节中优先排放高地址处。

第三个字节开辟，

d的值是4，二进制数字是100，位段：4个字节，高位用o来补充，也就是0100

d的存放方式也是在这个字节中优先排放高地址处。

所以位段struct S在内存中存放的数据是01100010 00000011 00000100

换算成十六进制数字就是 62 03 04

验证：

通过内存调试，观察内存窗口就可以看到

         

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。

总结： 

跟结构相⽐，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

        

位段的应用

下图是⽹络协议中，IP数据包的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要⼏个bit位就能描述，这⾥使⽤位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样⽹络传输的数据报⼤⼩也会较⼩⼀些，对⽹络的畅通是有帮助的。

大量的数组经过位段的处理，可以将数据的内存缩小，是数据包的大小变小，数据包变小，网络的传输就会变得快速。