聊一聊C语言位域/位段
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1、概念和定义
2、实例
在做嵌入式开发的时候,我们经常会遇到这样的代码:
struct
{unsigned int widthValidated : 1;unsigned int heightValidated : 1;
} status;
这样定义结构体变量是什么意思呢?
主要原因是:有些信息在存储时,只需占几个或一个二进制位(bit),并不需要占用一个完整的字节。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”。
1、概念和定义
位域:是把一个字节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。 这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。
位域定义与结构定义相仿,其形式为:
struct 位域结构名
{位域列表};
其中位域列表的形式为:
type [member_name] : width ;
下面是有关位域中变量元素的描述:
位域的使用和结构体成员的使用相同,其一般形式为:
位域变量名.位域名
位域变量名->位域名
位域最大的作用就是节省存储空间,在本质上就是一种结构类型,不过其成员是按二进位分配的。例如以下案例:
#include <stdio.h>
#include <string.h>/* 定义简单的结构 */
struct
{unsigned int widthValidated;unsigned int heightValidated;
} status1;/* 定义位域结构 */
struct
{unsigned int widthValidated : 1;unsigned int heightValidated : 1;
} status2;int main( )
{printf( "Memory size occupied by status1 : %d\n", sizeof(status1));printf( "Memory size occupied by status2 : %d\n", sizeof(status2));return 0;
}
代码被编译和执行时,它会产生下列结果:
Memory size occupied by status1 : 8
Memory size occupied by status2 : 4
结构体status1是由正常的两个unsigned int类型变量组成,占用内存是8字节,结构体status2也是unsigned int类型变量,但是它仅使用了一个unsigned int类型内存的前2bit,实际上还有30bit没使用,所以占用内存是4字节。
对于位域的定义有以下几点说明:
- 一个位域存储在同一个字节中,如一个字节所剩空间不够存放另一位域时,则会从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。例如:
struct bs{unsigned a:4;unsigned :4; /* 空域 */unsigned b:4; /* 从下一单元开始存放 */unsigned c:4
}
在这个位域定义中,a 占第一字节的 4 位,后 4 位填 0 表示不使用,b 从第二字节开始,占用 4 位,c 占用 4 位。
位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度,成员变量都是有类型的,这个类型限制了成员变量的最大长度,: 后面的数字不能超过这个长度。
位域可以是无名位域,这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。例如:
struct k{int a:1;int :2; /* 该 2 位不能使用 */int b:3;int c:2;
};
- 当相邻成员的类型相同时,如果它们的位宽之和小于类型的 sizeof 大小,那么后面的成员紧邻前一个成员存储,直到不能容纳为止;如果它们的位宽之和大于类型的 sizeof 大小,那么后面的成员将从新的存储单元开始,其偏移量为类型大小的整数倍。例如:
#include <stdio.h>int main(){struct bs{unsigned m: 6;unsigned n: 12;unsigned p: 4;};printf("%d\n", sizeof(struct bs));return 0;
}
运行结果:
4
m、n、p 的类型都是 unsigned int,sizeof 的结果为 4 个字节(Byte),也即 32 个位(Bit)。m、n、p 的位宽之和为 6+12+4 = 22,小于 32,所以它们会挨着存储,中间没有缝隙。
- 当相邻成员的类型不同时,不同的编译器有不同的实现方案,GCC 会压缩存储,而 VC/VS 不会。例如:
#include <stdio.h>int main(){struct bs{unsigned m: 12;unsigned char ch: 4;unsigned p: 4;};printf("%d\n", sizeof(struct bs));return 0;
}
在 GCC 下的运行结果为 4,三个成员挨着存储;在 VC/VS 下的运行结果为 12,三个成员按照各自的类型存储(与不指定位宽时的存储方式相同)。
- 如果成员之间穿插着非位域成员,那么不会进行压缩。 例如:
struct bs{unsigned m: 12;unsigned ch;unsigned p: 4;
};
在各个编译器下 sizeof 的结果都是 12。
注意:位域成员往往不占用完整的字节,有时候也不处于字节的开头位置,因此使用&
获取位域成员的地址是没有意义的,C语言也禁止这样做。地址是字节(Byte)的编号,而不是位(bit)的编号。
2、实例
通过一个示例,加深对位域的理解和应用:
#include <stdio.h>
#include <string.h>struct
{unsigned int age : 3;
} Age;int main( )
{Age.age = 4;printf( "Sizeof( Age ) : %d\n", sizeof(Age) );printf( "Age.age : %d\n", Age.age );Age.age = 7;printf( "Age.age : %d\n", Age.age );Age.age = 8; // 二进制表示为 1000 有四位,超出printf( "Age.age : %d\n", Age.age );return 0;
}
当上面的代码被编译时,它会带有警告,当上面的代码被执行时,它会产生下列结果:
Sizeof( Age ) : 4
Age.age : 4
Age.age : 7
Age.age : 0
当执行到Age.age = 8;时,二进制表示为:1000 有四位,超出位域,所以会提示警告。
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