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聊一聊C语言位域/位段

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不脱发的程序猿
发布2022-04-13 18:21:55
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发布2022-04-13 18:21:55
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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:

代码语言:javascript
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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:

代码语言:javascript
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struct 位域结构名 
{

 位域列表

};

其中位域列表的形式为:

代码语言:javascript
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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:

代码语言:javascript
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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:

代码语言:javascript
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#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:

代码语言:javascript
复制
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:
代码语言:javascript
复制
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:
代码语言:javascript
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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:
代码语言:javascript
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#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:

代码语言:javascript
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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:
代码语言:javascript
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#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:
代码语言:javascript
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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:

代码语言:javascript
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#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:

代码语言:javascript
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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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原始发表:2022-03-05 ,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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