[轉] C中的位域

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一、位域

　　有些資訊在儲存時，並不需要佔用一個完整的位元組， 而只需占幾個或一個二進位位。例如在存放一個開關量時，只有0和1 兩種狀態， 用一位二進位即可。為了節省儲存空間，並使處理簡便，Ｃ語言又提供了一種資料結構，稱為“位域”或“位段”。所謂“位域”是把一個位元組中的二進位劃分為幾個不同的地區，並說明每個地區的位元。每個域有一個網域名稱，允許在程式中按網域名稱進行操作。這樣就可以把幾個不同的對象用一個位元組的二進位位域來表示。一、位域的定義和位域變數的說明位域定義與結構定義相仿，其形式為：

　　struct 位域結構名
　　{ 位域列表 };

　　其中位域列表的形式為： 類型說明符 位網域名稱：位域長度

　　例如：

struct bs
{
　int a:8;
　int b:2;
　int c:6;
};


　　位域變數的說明與結構變數說明的方式相同。 可採用先定義後說明，同時定義說明或者直接說明這三種方式。例如：

struct bs
{
　int a:8;
　int b:2;
　int c:6;
}data;

　　說明data為bs變數，共佔兩個位元組。其中位域a佔8位，位域b佔2位，位域c佔6位。對於位域的定義尚有以下幾點說明：

　　1. 一個位域必須儲存在同一個位元組中，不能跨兩個位元組。如一個位元組所剩空間不夠存放另一位域時，應從下一單元起存放該位域。也可以有意使某位域從下一單元開始。例如：

struct bs
{
　unsigned a:4
　unsigned :0 /*空域*/
　unsigned b:4 /*從下一單元開始存放*/
　unsigned c:4
}

　　在這個位域定義中，a占第一位元組的4位，後4位填0表示不使用，b從第二位元組開始，佔用4位，c佔用4位。

　　2. 由於位域不允許跨兩個位元組，因此位域的長度不能大於一個位元組的長度，也就是說不能超過8位二進位。
　
　　3. 位域可以無位網域名稱，這時它只用來作填充或調整位置。無名的位域是不能使用的。例如：

struct k
{
　int a:1
　int :2 /*該2位不能使用*/
　int b:3
　int c:2
};

　　從以上分析可以看出，位域在本質上就是一種結構類型， 不過其成員是按二進位分配的。

　　二、位域的使用

　　位域的使用和結構成員的使用相同，其一般形式為： 位域變數名·位網域名稱 位域允許用各種格式輸出。

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);
}

　　上常式序中定義了位域結構bs，三個位域為a,b,c。說明了bs類型的變數bit和指向bs類型的指標變數pbit。這表示位域也是可以使用指標的。

　　程式的9、10、11三行分別給三個位域賦值。( 應注意賦值不能超過該位域的允許範圍)程式第12行以整型量格式輸出三個域的內容。第13行把位域變數bit的地址送給指標變數pbit。第14行用指標方式給位域a重新賦值，賦為0。第15行使用了複合的位元運算符"&="， 該行相當於： pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值為7，與3作按位與運算的結果為3(111&011=011,十進位值為 3)。同樣，程式第16行中使用了複合位元運算"|="， 相當於： pbit->c=pbit->c|1其結果為15。程式第17行用指標方式輸出了這三個域的值。

 

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這也是在ChinaUnix上看了幾篇關於C語言‘位域(Bit Fields)‘的文章之後，才想寫下這篇文章的。其實在平時的工作中很少使用到‘位域‘，我是搞伺服器端程式設計的，大容量的記憶體可以讓我毫不猶豫的任意‘揮霍‘^_^。想必搞嵌入式編程的朋友們對位域的使用應該不陌生吧。這裡我也僅僅是憑著對C語言鑽研的興趣來學習一下‘位域‘的相關知識的，可能有些說法沒有實踐，缺乏說服力。

具體也不是很清楚當年C語言的創造者為什麼要加入位域這一文法支援，那是太遙遠的事情了，我們不需要再回顧了，既然大師們為我們創造了它，我們使用便是了。

毋庸置疑，位域的引入給使用者的最大的好處莫過於可以有效利用‘昂貴‘的記憶體和操作bit的能力了。而且這種操作bit位的能力很是方便，利用結構體網域名稱即可對這些bit進行操作。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;

通過結構體執行個體.網域名稱即可修改某些bit得值，這些都是編譯器的‘甜頭‘。當然我們也可以自己通過一些‘掩碼‘和移位操作來修改這些bit，當然如果不是十分需要，我們是不需要這麼做的。

位域還提供一種叫‘匿名‘位域的文法，它常用來‘填缺補漏‘，由於是‘匿名‘，所以你不能像上面那樣去訪問它。如：
struct foo1 {
 int a : 1;
 int   : 2;
 short c : 1;
};
在foo1的成員a和c之間有一個2 bits的匿名位域。

在foo結構體的定義中，成員a雖然類型為int，但是它僅僅佔據著4個位元組中的一個bit的空間；類似b佔據2個bit空間，但是b到底是佔據第一個int的2個bit空間呢還是第二個int的2個bit空間呢？這裡實際上也涉及到如何對齊帶有‘位域‘的結構體這樣一個問題。我們來分析一下。

我們再來看看下面兩個結構體定義：
struct foo2 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        char    c : 1;
};

struct foo3 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        char    c : 7;
};
我們來列印一下這兩個結構體的大小，我們得到的結果是：
sizeof(struct foo2) = 1
sizeof(struct foo3) = 2
顯然都不是我們期望的，如果按照正常的記憶體對齊規則，這兩個結構體大小均應該為3才對，那麼問題出在哪了呢？首先通過這種現象我們可以肯定的是：帶有‘位域‘的結構體並不是按照每個域對齊的，而是將一些位域成員‘捆綁‘在一起做對齊的。以foo2為例，這個結構體中所有的成員都是char型的，而且三個位域佔用的總空間為6 bit < 8 bit(1 byte)，這時編譯器會將這三個成員‘捆綁‘在一起做對齊，並且以最小空間作代價，這就是為什麼我們得到sizeof(struct foo2) = 1這樣的結果的原因了。再看看foo3這個結構體，同foo2一樣，三個成員類型也都是char型，但是三個成員位域所佔空間之和為9 bit > 8 bit(1 byte)，這裡位域是不能跨越兩個成員基本類型空間的，這時編譯器將a和b兩個成員‘捆綁‘按照char做對齊，而c單獨拿出來以char類型做對齊，這樣實際上在b和c之間出現了空隙，但這也是最節省空間的方法了。我們再看一種結構體定義：

struct foo4 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        int c : 1;
};

在foo4中雖然三個位域所佔用空間之和為6 bit < 8 bit(1 byte)，但是由於char和int的對齊係數是不同的，是不能捆綁在一起，那是不是a、b捆綁在一起按照char對齊，c單獨按照int對齊呢？我們列印一下sizeof(struct foo4)發現結果為4，也就是說編譯器把a、b、c一起捆綁起來並以int做對齊了。

通過上面的例子我們發現很難總結出很規律性的東西，但是帶有‘位域‘的結構體的對齊有條原則可以遵循，那就是："盡量減少結構體的佔用空間"。當然顯式的使用記憶體對齊的機會也並不多。

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