C语言中的位域 bit field

                   

一、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  
   
      　　例如：  
   
      struct       bs  
      {  
      　int       a:8;  
      　int       b:2;  
      　int       c:6;  
      };  
   
   
      　　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       :0       /*空域*/  
      　unsigned       b:4       /*从下一单元开始存放*/  
      　unsigned       c:4  
      }  
   
      　　在这个位域定义中，a占第一字节的4位，后4位填0表示不使用，b从第二字节开始，占用4位，c占用4位。  
   
      　　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，也就是说不能超过8位二进位。  
      　  
      　　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       /*该2位不能使用*/  
      　int       b:3  
      　int       c:2  
      };  
   
      　　从以上分析可以看出，位域在本质上就是一种结构类型，       不过其成员是按二进位分配的。  
   
      　　二、位域的使用  
   
      　　位域的使用和结构成员的使用相同，其一般形式为：       位域变量名·位域名       位域允许用各种格式输出。  
   
      main(){  
      　struct       bs  
      　{  
      　　unsigned       a:1;  
      　　unsigned       b:3;  
      　　unsigned       c:4;  
      　}       bit,*pbit;  
      　bit.a=1;  
      　bit.b=7;  
      　bit.c=15;  
      　printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c);  
      　pbit=&bit;  
      　pbit->a=0;  
      　pbit->b&=3;  
      　pbit->c|=1;  
      　printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);  
      }  
   
      　　上例程序中定义了位域结构bs，三个位域为a,b,c。说明了bs类型的变量bit和指向bs类型的指针变量pbit。这表示位域也是可以使用指针的。  
   
      　　程序的9、10、11三行分别给三个位域赋值。(       应注意赋值不能超过该位域的允许范围)程序第12行以整型量格式输出三个域的内容。第13行把位域变量bit的地址送给指针变量pbit。第14行用指针 方式给位域a重新赋值，赋为0。第15行使用了复合的位运算符"&="，       该行相当于：       pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值为7，与3作按位与运算的结果为3(111&011=011,十进制值 为       3)。同样，程序第16行中使用了复合位运算"|="，       相当于：       pbit->c=pbit->c|1其结果为15。程序第17行用指针方式输出了这三个域的值。

这也是在ChinaUnix上看了几篇关于C语言'位域(Bit       Fields)'的帖子之后，才想写下这篇文章的。其实在平时的工作中很少使用到'位域'，我是搞服务器端程序设计的，大容量的内存可以让我毫不犹豫的任 意'挥霍'^_^。想必搞嵌入式编程的朋友们对位域的使用应该不陌生吧。这里我也仅仅是凭着对C语言钻研的兴趣来学习一下'位域'的相关知识的，可能有些 说法没有实践，缺乏说服力。  
   
      具体也不是很清楚当年C语言的创造者为什么要加入位域这一语法支持，那是太遥远的事情了，我们不需要再回顾了，既然大师们为我们创造了它，我们使用便是了。  
   
      毋庸置疑，位域的引入给用户的最大的好处莫过于可以有效的利用'昂贵'的内存和操作bit的能力了。而且这种操作bit位的能力很是方便，利用结构体域名即可对这些bit进行操作。例如：  
   
      struct       foo       {  
        int       a       :       1;  
        int       b       :       2;  
        short       c       :       1;  
      };  
   
      struct       foo       aFoo;  
      aFoo.a       =       1;  
      aFoo.b       =       3;  
      aFoo.c       =       0;  
   
      通过结构体实例.域名即可修改某些bit得值，这些都是编译器的'甜头'。当然我们也可以自己通过一些'掩码'和移位操作来修改这些bit，当然如果不是十分需要，我们是不需要这么做的。  
   
      位域还提供一种叫'匿名'位域的语法，它常用来'填缺补漏'，由于是'匿名'，所以你不能像上面那样去访问它。如：  
      struct       foo1       {  
        int       a       :       1;  
        int           :       2;  
        short       c       :       1;  
      };  
      在foo1的成员a和c之间有一个2       bits的匿名位域。  
   
      在foo结构体的定义中，成员a虽然类型为int，但是它仅仅占据着4个字节中的一个bit的空间；类似b占据2个bit空间，但是b到底是占据第一个 int的2个bit空间呢还是第二个int的2个bit空间呢？这里实际上也涉及到如何对齐带有'位域'的结构体这样一个问题。我们来分析一下。  
   
      我们再来看看下面两个结构体定义：  
      struct       foo2       {  
                      char             a       :       2;  
                      char             b       :       3;  
                      char             c       :       1;  
      };  
   
      struct       foo3       {  
                      char             a       :       2;  
                      char             b       :       3;  
                      char             c       :       7;  
      };  
      我们来打印一下这两个结构体的大小，我们得到的结果是：  
      sizeof(struct       foo2)       =       1  
      sizeof(struct       foo3)       =       2  
      显然都不是我们期望的，如果按照正常的内存对齐规则，这两个结构体大小均应该为3才对，那么问题出在哪了呢？首先通过这种现象我们可以肯定的是：带有'位 域'的结构体并不是按照每个域对齐的，而是将一些位域成员'捆绑'在一起做对齐的。以foo2为例，这个结构体中所有的成员都是char型的，而且三个位 域占用的总空间为6       bit       <       8       bit(1       byte)，这时编译器会将这三个成员'捆绑'在一起做对齐，并且以最小空间作代价，这就是为什么我们得到sizeof(struct       foo2)       =       1这样的结果的原因了。再看看foo3这个结构体，同foo2一样，三个成员类型也都是char型，但是三个成员位域所占空间之和为9       bit       >       8       bit(1       byte)，个人认为这句话应该改为：但是Foo3的前两个成员所占空间是2＋3＝5，所以第一个字节只剩下8－5＝3，不够存放第三个成员的7个字节，而规则要求，不允许成员跨字节存放，所以只能另外将此7字节单独分配，故又占了一个字节，这里位域是不能跨越两个成员基本类型空间的，这时编译器将a和b两个成员'捆绑'按照char做对齐，而c单独拿出来以char类型做对齐，这样实际上在b和c之间出现了空隙，但这也是最节省空间的方法了。我们再看一种结构体定义：  
   
      struct       foo4       {  
                      char             a       :       2;  
                      char             b       :       3;  
                      int       c       :       1;  
      };  
   
      在foo4中虽然三个位域所占用空间之和为6       bit       <       8       bit(1       byte)，但是由于char和int的对齐系数是不同的，是不能捆绑在一起，那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐，c单独按照int对齐呢？我们 打印一下sizeof(struct       foo4)发现结果为4，也就是说编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。  
   
      通过上面的例子我们发现很难总结出很规律性的东西，但是带有'位域'的结构体的对齐有条原则可以遵循，那就是："尽量减少结构体的占用空间"。当然显式的使用内存对齐的机会也并不多。^_^