C语言位域详解-优快云博客

1. 位域的定义

有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节，而只需占几个或一个二进制位。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语言又提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。所谓“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。

位域的定义和位域变量的说明位域定义与结构定义相仿，其形式为：

位结构定义的一般形式为:
struct 位结构名{
数据类型 [变量名]: 整型常数; //成员称为“位域”或者“位段”
数据类型 [变量名]: 整型常数;
} 位结构变量;

其中: 数据类型必须是整型(包括字符型)。整型常数的范围是数据类型的长度, 如定义为short，则范围是1~16，也就是说，当定义一个short类型的成员位段时，它的整形常数取值范围必须在0-16之间，超出范围编译器将报语法错。具体范围如下：

类型	整形常数范围
char, unsigned char	1-8
short, unsigned short	1-16
int, unsigned	1-32
long, unsigned long	1-32

当然上面的范围值也可以是0，但是作用不同，后面会提到。
例如：

struct webpage{
    unsigned char incon: 8;      // incon占用低字节的0~7共8位
    unsigned char txcolor: 4;   // txcolor占用高字节的0~3位共4位
    unsigned char bgcolor: 3; // bgcolor占用高字节的4~6位共3位
    unsigned char blink: 1;      // blink占用高字节的第7位
}ch;
printf("%d\n", sizeof(struct webpage));

输出结果：2。

2. 位域的对齐与计算

上面结构体大小为2，但是，为什么会是2呢？先来了解下，结构体的对齐原则：

1). 若相邻成员变量类型相同，且其位宽之和不大于成员变量类型位宽(在此严重强调，是类型位宽而不是成员变量sizeof，也不是类型的sizeof或者其他什么)大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；
2). 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和不大于成员变量的类型宽度大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；
3). 如果相邻的位域字段的类型不同，不同位域字段存放在不同的位域类型字节中(这一条其实会根据编译器的不同而采用不同的规则)。

例如：

struct A
{
    char c1:1;
    char c2:3;
    unsigned short s2:13;
    unsigned long i:3;
};

printf(“%d\n”, sizeof(struct A));

我们先分析下，如果遵循上面的对齐原则，结果应该会是多少。

c1, c2符合原则2，类型相同，那么就是 c1占1位，在0上；c2占3位在1~3上，因为后面的unsigned short与c1, c2不是同类型，符合原则3，所以存储在新的字节上。即c1, c2在一个字节上； s2占13位，在0-12上，也因和后面的i不是同类型，所以存储在新字节上，即s2占两个字节。i占3位，在0-2上，占四个字节。

即：1 + 2 + 4 = 7，但实际上，结构体还有个原则要遵守，即：和结构体一样，位结构体也是按照成员的最大长度字节来对齐分配空间的。如顺序读到的位域中最长的那个字节数对齐，如为4字节的long，则按4字节对齐。若最长仅为char，则按char对齐。即依次按读取到的数据类型进行对齐，并计算出最后的sizeof()！所以，这里最大的成员类型是4个字节，结构体的大小会是它的倍数，所以为距7最小4的倍数是8。得出，上面位结构体大小为：8，VC 6.0下输出结果也为8。

但是，在Code::Blocks 10.5中，输出结果却为4。也就是说，它并没有遵循上面的原则3。所以，原则3会和具体的编译环境有关。

如果位域上的整形范围值是0，则下个位域从新的字节开始(即使是同类型的位域)，如：

struct bs
{
    unsigned a:4;
    unsigned :0;      // 空域
    unsigned b:4;    // 从新字节开始存放
    unsigned c:4;
} ;

上面这个位域定义中，a占第一字节的4位，后4位填0表示不使用，b从新的字节开始，占用4位，c占用4位。上面位结构体大小为：8

3. 位域的访问

位结构成员的访问与结构成员的访问相同。例如: 访问下例位结构中的bgcolor成员可写成ch.bgcolor 进行访问:
struct webpage{
    unsigned char incon: 8;      // incon占用低字节的0~7共8位
    unsigned char txcolor: 4;   // txcolor占用高字节的0~3位共4位
    unsigned char bgcolor: 3; // bgcolor占用高字节的4~6位共3位
    unsigned char blink: 1;      // blink占用高字节的第7位
}ch;

位域可以无位域名，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;
};

注意:
1. 一个位域必须存储在定义它的一个数据类型内部，不能跨跨该数据类型。如char定义的位域所剩空间不够存放另一位域时，应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。
2.由于位域不允许越过定义它的数据类型，因此位域的长度不能大于定义它的数据类型的长度。
3. 位结构总长度(位数), 是各个位成员定义的位数之和再向最大结构成员对齐。
4. 位结构成员可以与其它结构成员一起使用。
例如:
struct info{
char name[8];
int age;
struct addr address;
float pay;
unsigned char state: 1;
unsigned char pay: 1;
}workers;
上例的结构定义了关于一个工人的信息。其中有两个位结构成员, 每个位结构成员只有一位, 用unsigned char数据类型，因此只占一个字节但保存了两个信息, 该字节中第一位表示工人的状态, 第二位表示工资是否已发放。由此可见使用位结构可以节省存贮空间。

这里有篇文章也写的不错http://blog.youkuaiyun.com/juliababy/article/details/2873796

=====================================================================================

一、首先说概念：

位结构是一种特殊的结构, 在需按位访问一个字节或字的多个位时, 位结构比按位运算符更加方便。
位结构定义的一般形式为:
struct 位结构名{
数据类型 [变量名]: 整型常数; //成员称为“位域”或者“位段”
数据类型 [变量名]: 整型常数;
} 位结构变量;
其中: 数据类型必须是整型(int/char/short)。整型常数的范围是数据类型的长度, 如定义为short，则范围是1~16。
变量名是选择项, 可以不命名, 这样规定是为了排列需要。
例如: 下面定义了一个位结构。
struct webpage{
unsigned char incon: 8; /*incon占用低字节的0~7共8位*/
unsigned char txcolor: 4;/*txcolor占用高字节的0~3位共4位*/
unsigned char bgcolor: 3;/*bgcolor占用高字节的4~6位共3位*/
unsigned char blink: 1; /*blink占用高字节的第7位*/
}ch;
printf("%d/n",sizeof(struct webpage));输出：2。
位结构成员的访问与结构成员的访问相同。
例如: 访问上例位结构中的bgcolor成员可写成:
ch.bgcolor

二、再说说位结构的位域存储顺序问题

我们知道字节存储顺序有高字节优先的big-endian大端存储法（高字节数据放在低字节地址处）和低字节优先的little-endian小端存储法，无论使用大端法还是小端法，都不存在技术原因，只是涉及到处理器厂商的立场和习惯。INTEL的X86平台使用小端法，IBM、Motorola、Sun Microsystem的大多数微处理器则使用大端法，还有部分微处理器可以由用户自己设置是使用大端法还是小端法，如ARM、MIPS、PowerPC等。
位域在存储时的顺序和它的编译器有关，一般是先申请的放在低位。程序举例如下：

小端？？？

# include "stdio.h"
void main()
{
union
{
struct student
{
unsigned char s1 : 1;
unsigned char s2 : 3;
}x;
unsigned char c;
}v;
v.c = 0;
v.x.s1 = 0;
v.x.s2 = 4;
printf( "%d/n",v.c);
printf( "%d/n", sizeof( struct student));
}
输出：
8
1

即结构体成员申请是按照顺序从低地址开始。所以上边结构体v在内存中数据的排列顺序为

    s1 s2
    |0| 0|0|1| 0|0|0|0| （1个字节，因为是unsigned char类型）
低地址       高地址

s1放着0
s2放着4（二进制100），在内存里由低到高为“|0|0|1|”。
所以v.c为二进制00001000，即十进制8。
同时，因为s1占一个位，s2占三个位，而两者都是unsigned char型，且最大的数据类型也就是unsigned char型，一个字节足够放下s1和s2了。所以我们看到struct student的大小为1个字节。
如果从先申请的放在高字节，则上边的输出为
s2 s1
0000 |001 |0
即输出应该是：
64
1
网上有人说TURBO C是采用这种方式，我没试过。

三、位结构的位对齐问题
位结构的其实不存在位对齐问题，即位不需要对齐。其他方面，位结构和一般结构体类似，遵循结构体的对齐原则，

# include "stdio.h"

void main()
{
union
{
struct student
{
   unsigned char s1 : 1;
    unsigned char s2 : 2;
   unsigned char s3 : 2;
}x;
unsigned char c;
}v;
v.c = 0;
v.x.s1 = 0;
v.x.s3 = 2;
printf( "%d/n",v.c);
printf( "%d/n", sizeof( struct student));
}
输出结果是：
16
1

因为它只按整体对齐，所以为
s1s2s3
0 0001000
即二进制00010000等于十进制16，而不是
s1s2 s3
0 00 0 01 00

再举一个位结构体的例子

# include "stdio.h"
void main()
{
union
{
struct student
{
   unsigned char s1 : 1;
    unsigned char s2 : 2;
   unsigned short s3 : 2;
}x;
unsigned short c;
unsigned int d;
}v;
v.d = 0;
v.x.s1 = 0;
v.x.s3 = 2;
printf( "%d/n",v.d);
printf( "%d/n", sizeof( struct student));
}
输出为：
131072
4

131072=(10 00000000 00000000)b
因为遵循结构体对齐原则，s3跳过了2个字节。
s1s2 s3
0 00 00000| 00000000| 01

位域与字节序解析

如下代码

# include "stdio.h"
struct  kk
{
unsigned a : 2;
unsigned b : 3;
unsigned c : 2;
unsigned d : 1;
}
kt;
int  main()
{
         char  result = 3;
        memcpy( &kt, &result, 1);
        printf( " a = %d, b = %d, c = %d, d = %d,ok/n" ,kt.a,kt.b,kt.c,kt.d);
          return   1;
}

在sun unix上用cc编译，结果为 0, 0, 1, 1

在 2000上用VC6. 0编译，结果为 3, 0, 0, 0

又如：

struct kk  {
    char a : 2;
    char b : 3;
    char c : 2;
    char d : 1;
} kt;

int main()
{
         char result = 3;

        memcpy( &kt, &result, 1);

        printf( "a = %d, b = %d, c = %d, d = %d/n",kt.a,kt.b,kt.c,kt.d);

         return 1;
}

file bit
bit: ELF 32-bit MSB executable, PowerPC or cisco 4500, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.0, not stripped
./bit
a = 0, b = 0, c = 1, d = 1

$ file bit
bit: PE32 executable for MS Windows (console) Intel 80386 32-bit
$ ./bit
a = -1, b = 0, c = 0, d = 0

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

C语言的位域虽然很多人强烈建议不要使用，但现有系统里还广泛存在位域的使用，所以还是很有必要理清楚的。

对big-endian和little-endian的区别，很多人认为是对多字节数据类型而言。其实，问题的本质不在这里。

两种endian区别的本质是由于CPU的数据引脚和系统地址总线的连接方向的不同。也就是说，高地址，低地址的区别不仅体现在“字节序”上，还体现在“比特序”上，只不过因为系统屏蔽了“比特序”的一些细节，所以看起来问题仅仅是字节之间的顺序问题了。

所以，对字节序相关的问题，如果能从两个角度来看问题，就很直接明了了。

先从系统地址总线的角度来分析数据的存放，然后从CPU的数据引脚的角度来解析数据....（对网络字节，可从网络数据传送地址的角度分析数据的存放，思想类同）

废话少说，分析一下上面的例子程序。（所有图表都从系统地址总线的角度看各个bit位）

C语言的位域中，每个field是严格按照bit地址从低到高排列的：

因此，从地址总线的角度看，四个域的排列顺序是（用于解析）

==============

-低->->->高-

a b c d

==============

接下来看如何解析这个字节。

在little-endian机器上，result字节中各个比特的存放排列如下所示

==============

-低->->->高-

,11000000,

==============

对应到四个位域，得

a=3

b=0

c=0

d=0

在big-endian机器上，result字节中各个比特的存放排列如下所示

==============

-低->->->高-

,00000011,

==============

对应到四个位域，得

a=0

b=0

c=1

d=1

总结：

1. C语言的位域类型使用时，各个field的摆放是按从低到高的bit顺序排列的。

2. 把数据的存放和解析分开，就可以很容易解释字节序的问题。

是这样的。这里有个术语的混淆。当多个字节组成一个长字（long）时，不同体系结构的cpu会按不同的方法来解释高低字节的顺序，这是字节序。小端的cpu会将低地址的字节认为是长字值的低位，高地址的字节认为是长字值得高位。大端的正好相反。

而在一个字节之内，不同体系结构的cpu会按不同的方法来解释高低比特的顺序，这是比特序。小端的cpu将低位的比特认为是值得低位，高位的比特认为是值得高位。大端的正好相反。假设固定总线上的比特地址，从0比特到7比特的内存数据是 0 0 0 0 0 0 0 1。那么，小端的cpu读到的值就是0x80,而大端的cpu读到的值就是0x01。

INTEL的cpu字节序和比特序都是小端的。POWERPC的cpu一般都是大端的.

明白以上道理,你可以分析IP header了.

struct  iphdr
  {
# if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
     unsigned   int  ihl : 4;
     unsigned   int  version : 4;
#elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
     unsigned   int  version : 4;
     unsigned   int  ihl : 4;
# else
# error "Please fix <bits/endian.h>"
# endif
    u_int8_t tos;
    u_int16_t tot_len;
    u_int16_t id;
    u_int16_t frag_off;
    u_int8_t ttl;
    u_int8_t protocol;
    u_int16_t check;
    u_int32_t saddr;
    u_int32_t daddr;
      /*The options start here. */
  };

以及 tcp header
struct  tcphdr
  {
    u_int16_t source;
    u_int16_t dest;
    u_int32_t seq;
    u_int32_t ack_seq;
#   if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
    u_int16_t res1 : 4;
    u_int16_t doff : 4;
    u_int16_t fin : 1;
    u_int16_t syn : 1;
    u_int16_t rst : 1;
    u_int16_t psh : 1;
    u_int16_t ack : 1;
    u_int16_t urg : 1;
    u_int16_t res2 : 2;
#  elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
    u_int16_t doff : 4;
    u_int16_t res1 : 4;
    u_int16_t res2 : 2;
    u_int16_t urg : 1;
    u_int16_t ack : 1;
    u_int16_t psh : 1;
    u_int16_t rst : 1;
    u_int16_t syn : 1;
    u_int16_t fin : 1;
#   else
#   error "Adjust your <bits/endian.h> defines"
#   endif
    u_int16_t window;
    u_int16_t check;
    u_int16_t urg_ptr;
};