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语言提供了一种数据结构,称为“位域”或“位段”。所谓“位域”是把一个类型单元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。 这样就可以达到压缩数据的目的。
位域定义
位域定义与结构定义相仿,其形式为:
struct slabel { 位域类型 位域名:位域bit长度; 位域类型 :位域bit长度; … }; |
在K&R中,规定的位域类型只能是ints——这应该是包括signed和unsigned的char、short和int。而且最好注明是signed还是unsigned类型的。诚然,C99中增加了新的支持类型,不过为了兼容性,还是遵循以前的标准吧。据我所知,也就是Borland、GCC的最新版本才能比较完善地支持C99,而Microsoft似乎并不支持,而且看上去将来也不会打算支持了。顺便发句牢骚,C99出来后C和C++似乎分道扬镳了,不爽啊。希望C++的新标准能让它们贴近点吧。
实际上,我觉得位域可以看作是取值范围缩小了的位域类型:所有对位域类型能做的操作,对位域都能做。如对int型的位域,可以用printf(“%d”,位域名)来输出,也可以用scanf(“%d”,&位域名)来进行输入。
位域的压缩与对齐
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。
位域的内存对齐有其特殊的地方,因为在对齐的过程中不仅穿插着数据的压缩,而且对齐也分为字段对齐和位域类型对齐两种。而这里的位域类型对齐实际上就是一般的数据内存对齐。具体的压缩与对齐规则如下:
1) 压缩:如果相邻位域字段的位域类型相同,各个位域字段只占定义时的bit长度。
struct test1 { char a : 2; char b : 3; char c : 1; }; 其大小为1 bytes,a和b和c在一个char中。 |
2) 压缩和字段对齐:一个位域字段必须存储在其位域类型的一个单元所占空间中,不能横跨两个该位域类型的单元。也就是说,当某个位域字段正处于两个该位域类型的单元中间时,只使用第二个单元,第一个单元剩余的bit位置补(pad)0。
struct test2 { char a : 2; char b : 3; char c : 7; }; 其大小为2 bytes,a和b在一个char中,c在第二个char中。 |
3) 位域类型对齐:如果相邻的位域字段的类型不同,在不同的位域类型间,按通用的对齐规则进行不同数据类型间的对齐(注意,struct的长度是其内部最宽类型的整数倍);同时在相同位域类型的字段间按以上两条规则对齐。
struct test3 { char a:1; char :2; long b:3; char c:2; }; 其大小为12bytes。 |
4) 终止压缩:如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;
struct test3 { char a:1; char :2; long b; char c:2; }; 其大小为12bytes,如果注释掉long b,则为1byte。 |
顺便指出,没有位域名的位域字段是不能使用的,只是用来占位置。