一个微软面试题--关于位结构体

含位域结构体的sizeof:
前面已经说过，位域成员不能单独被取sizeof值，我们这里要讨论的是含有位域的结构体的sizeof，只是考虑到其特殊性而将其专门列了出来。
C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型，但编译器几乎都对此作了扩展，允许其它类型类型的存在。
使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为：
1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字
段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；
2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字
段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；
3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方
式，Dev-C++采取压缩方式；
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

还是让我们来看看例子。
示例 1 ：
struct BF1
{
    char f1 : 3;
    char f2 : 4;
    char f3 : 5;
};
其内存布局为：
 |__f1___|____f2___ |__|____f3______|______|
 |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|
位域类型为 char ，第 1 个字节仅能容纳下 f1 和 f2 ，所以 f2 被压缩到第 1 个字节中，而 f3 只
能从下一个字节开始。因此 sizeof(BF1) 的结果为 2 。
示例 2 ：
struct BF2
{
    char f1 : 3;
    short f2 : 4;
    char f3 : 5;
};
由于相邻位域类型不同，在 VC6 中其 sizeof 为 6 ，在 Dev-C++ 中为 2 。
示例 3 ：
struct BF3
{
    char f1 : 3;
    char f2;
    char f3 : 5;
};
非位域字段穿插在其中，不会产生压缩，在 VC6 和 Dev-C++ 中得到的大小均为 3 。

写出下列程序在X86上的运行结果。

struct mybitfields
{
unsigned short a : 4;
unsigned short b : 5;
unsigned short c : 7;
}test;

void main(void) 
{
int i;
test.a=2;
test.b=3;
test.c=0;
i=*((short *)&test);
printf("%d ",i);
}

这个题的为难之处呢，就在于前面定义结构体里面用到的冒号，如果你能理解这个符号的含义，那么问题就很好解决了。这里的冒号相当于分配几位空间，也即在定义结构体的时候，分配的成员a 4位的空间， b 5位，c 7位，一共是16位，正好两个字节。下面画一个简单的示意：
变量名 位数
test 15 14 13 12 11 10 9 |8 7 6 5 4 |3 2 1 0
test.a | |0 0 1 0
test.b |0 0 0 1 1 |
test.c 0 0 0 0 0 0 0 | |
在执行i=*((short *)&test); 时，取从地址&test开始两个字节（short占两个字节）的内容转化为short型数据，即为0x0032，再转为int型为0x00000032，即50。输出的结果就是50。当然，这里还涉及到字节及位的存储顺序问题，后面再说。

前面定义的结构体被称为位结构体。所谓位结构体，是一种特殊的结构体，在需要按位访问字节或字的一个或多个位时，位结构体比按位操作要更方便一些。
位结构体的定义方式如下：
struct [位结构体名]{
数据类型 变量名:整数常数;
...
}位结构变量;
说明：
1）这里的数据类型只能为int型（包括signed和unsigned）；
2）整数常数必须为0~15之间的整数，当该常数为1时，数据类型为unsigned（显然嘛，只有一位，咋表示signed？光一符号？没意义呀）；
3）按数据类型变量名:整数常数;方式定义的结构成员称为位结构成员，好像也叫位域，在一个位结构体中，可以同时包含位结构成员及普通的结构成员；
4）位结构成员不能是指针或数据，但结构变量可以是指针或数据；
5）位结构体所占用的位数由各个位结构成员的位数总各决定。如在前面定义的结构体中，一共占用4+5+7＝16位，两个字节。另外我们看到，在定义位结构成员时，必须指定数据类型，这个数据类型在位结构体占用多少内存时也起到不少的作用。举个例子：
struct mybitfieldA{
char a:4;
char b:3;
}testA;

struct mybitfieldB{
short a:4;
short b:3;
}testB;
这里，testA占用一个字节，而testB占用两个字节。知道原因了吧。在testA中，是以char来定义位域的，char是一个字节的，因此，位域占用的单位也按字节做单位，也即，如果不满一个字节的话按一个字节算（未定义的位按零处理）。而在testB中，short为两个字节，所以了，不满两个字节的都按两个字节算（未定义位按零处理）

关于位结构体在内存中的存储问题
Kevin's Theory #2: In a C structure that contains bit fields, if field A is defined in front of field B, then field A always occupies a lower bit address than field B. （来自http://www.linuxforum.net/forum/showflat.php?Cat=&Board=linuxk&Number=638637&page=0&view=collapsed&sb=5&o=all&fpart=all）
说的是，在C结构体中，如果一个位域A在另一个位域B之前定义，那么位域A将存储在比B小的位地址中。
如果一个位域有多个位时，各个位的排列顺序通常是按CPU的端模式(Endianess）来进行的，即在大端模式(big endian）下，高有效位在低位地址，小端模式则相反。
补充说明一个关于位域与普通结构成员一起使用的问题
先看一个例子
struct mybitfield{
char a:4;
char b:3;
char aa;
char c:1;}test;
这种情况下，test应该占几个字节呢？2个（4+3+1＝8占一个字节，aa占一个）还是3个（4+3不足补一位，占一个字节，aa占一个字节，c占一个字节）？
写个小程序验证一下：

int main(int argc, char* argv[])
{
int i;
test.a = 1;
test.b = 1;
test.aa = 1;
test.c = 1;

i=*((short *)&test);
printf("%d /n",i);

return 0;
}

输出结果是273，化为十六进制数0x111，可见是按三个字节来处理了（如果按两个字节处理的话，cba组成一个字节，是10010001（十六进制0x91）再加上aa，那就应该是0x191了）

举这个例子是为了说明一下，定义位域的话，最好是把所以有位域放在一起，这样可以节省空间（如果把c和aa换一下位置，那test就只占两个字节了）。另外也是为了强调一下位结构体的内存分配方式，按定义的先后顺序来分配，而位域（或成员）内的字节顺序则按照CPU的位顺序来进行（一般与CPU的端模式对应）。

struct mybitfields
{
unsigned short a : 4;
unsigned short b : 5;
unsigned short c : 7;
} test;
=> sizeof(test) == 2;

struct mybitfields
{
unsigned char a : 4;
unsigned char b : 5;
unsigned char c : 7;
} test;
=> sizeof(test) == 3;

struct mybitfields
{
unsigned char a : 4;
unsigned short b : 5;
unsigned char c : 7;
} test;
=> sizeof(test) == 6;

struct mybitfields
{
unsigned short a : 4;
unsigned char b : 5;
unsigned char c : 7;
} test;
=> sizeof(test) == 4;

struct mybitfields
{
unsigned char a : 4;
unsigned char b : 5;
unsigned short c : 7;
} test;
=> sizeof(test) == 4;

struct mybitfields
{
unsigned char a : 4;
unsigned int b : 5;
unsigned short c : 7;
} test;
=> sizeof(test) == 12;