C語言位段(位域)機制結構體的特殊實現(xiàn)及解析

更新時間：2022年02月14日 09:56:26 作者：喬喬家的龍龍

這篇文章主要為大家介紹了C語言位段位域機制結構體的特殊實現(xiàn)講解有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步早日升職加薪

概念

什么是位段？

位段又稱為位域，C語言允許在一個結構體中以位為單位來指定其成員所占內存長度，這種以位為單位的成員就叫做稱為位段( bit field) 。利用位段能夠用較少的位數(shù)存儲數(shù)據(jù)達到節(jié)省空間的目的。

位段是結構體特有的，所以聲明是和結構是類似的，但有兩個不同：

1. 位段成員必須是 int ，unsigned int，signed int

2. 位段成員名后邊結構包括一個冒號和整型數(shù)字

舉個栗子：

struct haha
{
    unsigned int ch   : 8;    //8位
    unsigned int chh : 6;    //6位
    unsigned int chhh : 18;   //18位
};
struct haha dest;

內存分配

這里的 haha 就是一個位段的類型，這個神神秘秘的位段咱不常見，那么他的大小怎么算的呢？其實和結構體是一樣的：

struct arr
{
int a:2;
int b:5;
int c:10;
int d:30;
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct arr));
return 0;
}

在這里插入圖片描述

這里 a：2什么意思呢？

成員 a 只占 2 個比特位，后面同理，既然這樣，那我們總計 47 比特位，也就是 6 個字節(jié) 48 個比特位已經(jīng)足夠了，那為什么又是 8 呢？位段的內存分配到底是怎樣的？

這里千萬不要犯低級錯誤誤認為他的大小就是 47 個比特位，和前一篇博客敘述原理相同，因為都是 int 類型，所有成員會向 int 看齊，int 是四字節(jié)，默認 8 字節(jié)，對齊數(shù)取 4 字節(jié)，a+b < 1字節(jié)，合并申請 1 字節(jié)空間，后面都需要獨立申請空間，總計 1+2+4 = 7字節(jié)，結構體大小必須是最大對齊數(shù)整數(shù)倍，取 4 的整數(shù)倍就是 8，因此為 8 字節(jié)。

位段跨平臺問題

我們細想剛剛這種機制，a，b，c，d 分別為 2,5,10,30 比特位，而我一個字節(jié)是 8 個比特位，假若在給 a 分配了 1 字節(jié)后，還剩 6 比特位，這 6 個位子我要不要讓給二哥 b 成員來享用呢？==我是一字節(jié)一字節(jié)榨干資本還是出手闊綽安排"單人房"呢？==這里就有了歧義。

要知道位段在空間上是按照需要以四字節(jié) int 或一字節(jié) char 的方式來開辟空間，他涉及很多的不確定性因素，這就是為什么位段是不跨平臺的，注重可移植性的程序應該避免使用位段。

有什么不確定因素呢，就好比我們剛剛提到的內存分配問題，這個問題連C語言標準都沒有規(guī)定我到底該怎么利用，需要由具體的編譯器環(huán)境決定，編譯器環(huán)境又依賴于不同的平臺比如 Linux 是 gcc 標準，VS則是 windows 標準。

我們要知道：

1. int 位段被當成有符號數(shù)還是無符號數(shù)是不確定的。
2. 位段中最大位的數(shù)目不能確定（16位機器最大 16,32 位機器最大 32）。
3. 位段中成員的內存從左到右分配還是從右向左分配標準尚未定義。
4. 當一個結構中包含兩個位段時，第二個位段成員比較大，無法容納第一個位段剩余的位時，是應當舍棄還是利用，標準尚未定義。

作用

“ 這么個玄乎的玩意兒拿來干嘛啊 ”你可能會有這樣的疑問

我們拿上面的情景來分析一手：

int a:2;
int b:5;
int c:10;
int d:30;

我們不分配位段時，需要 16 個字節(jié)，分配后只要 8 個字節(jié)，其實位段就是為了節(jié)省空間，充當個省流大師。

位段使用的前提條件就是某些細節(jié)需要非常明確，假如我成員 a 的取值只有四種狀態(tài)：00，01，10，11，那我給 a 分配 2 個字節(jié)是不是就足夠了，那我就給 2 個，我如果一上手啪嘰就是一個 int 類型，32 個字節(jié)橫空出世，這個節(jié)省的性價比可不低哦~

當然萬事萬物不可能十全十美，我?guī)湍愎?jié)省但總歸會有一定浪費，這是不可避免的?？偨Y一下就是位段跟結構相比，可以達到相同效果且可以有效節(jié)省空間，但存在跨平臺問題存在。

Tip

注意，位段機制跟棧還扯不上關系，入棧的是數(shù)據(jù)的字節(jié)，位段是在這些字節(jié)的內部空間上發(fā)揮作用，已經(jīng)細節(jié)到“位”了，以及之前提到的大小端模式，大小端是連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)的存放模式，也細化不到字節(jié)上。