C语言 位段的详细介绍

C语言中的位段

位段(bit-field)是以位为单位来定义结构体(或联合体)中的成员变量所占的空间。含有位段的结构体(联合体)称为位段结构。采用位段结构既能够节省空间，又方便于操作。

位段的定义格式为:

type  [var]: digits

其中type只能为int，unsigned int，signed int三种类型(int型能不能表示负数视编译器而定，比如VC中int就默认是signed int，能够表示负数)。位段名称var是可选参数，即可以省略。digits表示该位段所占的二进制位数。

那么定义一个位段结构可以像下面这段代码去定义：

struct node
{
  unsigned int a:4;   //位段a，占4位
  unsigned int :0;   //无名位段，占0位
  unsigned int b:4;   //位段b，占4位
  int c:32;       //位段c，占32位
  int :6;       //无名位段，占6位
};

一.位段的使用

使用位段需注意一下几点:

1)位段的类型只能是int，unsigned int，signed int三种类型，不能是char型或者浮点型；

2)位段占的二进制位数不能超过该基本类型所能表示的最大位数，比如在VC中int是占4个字节，那么最多只能是32位；

3)无名位段不能被访问，但是会占据空间；

4)不能对位段进行取地址操作；

5)若位段占的二进制位数为0，则这个位段必须是无名位段，下一个位段从下一个位段存储单元(这里的位段存储单元经测试在VC环境下是4个字节)开始存放；

6)若位段出现在表达式中，则会自动进行整型升级，自动转换为int型或者unsigned int。

7)对位段赋值时，最好不要超过位段所能表示的最大范围，否则可能会造成意想不到的结果。

8)位段不能出现数组的形式。

二.位段结构在内存中的存储方式

对于位段结构，编译器会自动进行存储空间的优化，主要有这几条原则:

1)如果一个位段存储单元能够存储得下位段结构中的所有成员，那么位段结构中的所有成员只能放在一个位段存储单元中，不能放在两个位段存储单元中；如果一个位段存储单元不能容纳下位段结构中的所有成员，那么从剩余的位段从下一个位段存储单元开始存放。(在VC中位段存储单元的大小是4字节).

2)如果一个位段结构中只有一个占有0位的无名位段，则只占1或0字节的空间(C语言中是占0字节，而C++中占1字节)；否则其他任何情况下，一个位段结构所占的空间至少是一个位段存储单元的大小；

测试程序：

/*测试位段 201110.12*/
#include<iostream>
using namespace std; 

typedef struct node
{
  unsigned int a:1;   //存在一个非0位的位段，则至少占4Byte
}S; 

typedef struct node1    //在C++中占1字节的空间 ，在C中占0字节
{
  unsigned int :0;
}S1;

typedef struct node2
{
  unsigned int a:1;
  unsigned int :0;   //下一个位段放在一个新的位段存储单元 ，所以占4+4=8Byte
  unsigned c:32;
}S2;

typedef struct node3
{
  unsigned int a:4;
  unsigned int :0;
  int :6;        //这个位段放在一个新的位段存储单元
  unsigned c:32;    //由于6+32>32，所位段c也放在一个新的位段存储单元，所以占4+4+4=12Byte
}S3;

typedef struct node4
{
  unsigned int a:1;
  char b;        //在一个位段存储单元中能够存下所有的成员，所以占4Byte
  int c:1;
  int d:2;
  unsigned int e:2;
}S4;

int main(int argc, char *argv[])
{
  S4 s4;
  s4.a=1;
  s4.c=1;
  s4.d=2;
  s4.e=3;
  printf("%d %d %d %d\n",s4.a,s4.c,s4.d,s4.e);
  printf("%d %d %d %d %d\n",sizeof(S),sizeof(S1),sizeof(S2),sizeof(S3),sizeof(S4));
  return 0;
}

执行结果为:

1 -1 -2 3
4 1 8 12 4
请按任意键继续. . .
当打印s4的各个位段时，打印的结果与赋的初始值不同。

由于c只占1位，那么没有数据位，此时进行符号扩展直接在高位添加1，所以打印的结果为-1；

由于d占2位，那么当将2赋给d时，内存中存储的内容为10，此时进行符号扩展，高位补1，则为0XFF FF FF FE，那么其真值则为-2.

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