C语言位域

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#c/c++ #数据结构与算法

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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。
一、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：

struct 位域结构名 
{

 位域列表

};

其中位域列表的形式为：

类型说明符 位域名：位域长度

位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。可采用先定义后说明，同时定义说明或者直接说明这三种方式。例如：

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

说明data为bs变量，共占两个字节。其中位域a占8位，位域b占2位，位域c占6位。对于位域的定义尚有以下几点说明：

1. 一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节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。例如：

struct bs
{
    unsigned a:4
    unsigned b:5 /*从下一单元开始存放*/
    unsigned c:4
}

2. 由于位域不允许跨两个字节，因此位域的长度不能大于一个字节的长度。

3. 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 /*无位域名，该2位不能使用*/
    int b:3
    int c:2
};

二、位域的使用

下面例子是参加一个公司（白领科技-青岛）的笔试遇到的，当时做错了，为了怕忘了，赶紧写下来。

 1 #include <iostream>
 2 #include <memory.h>
 3 using namespace std;
 4 struct A
 5 {
 6     int a:5;
 7     int b:3;
 8 };
 9 int main(void)
10 {
11     char str[100] = "0134324324afsadfsdlfjlsdjfl";
12         struct A d;
13     memcpy(&d, str, sizeof(A));
14     cout << d.a << endl;
15     cout << d.b << endl;
16     return 0;
17 }

在32位x86机器上输出：

$ ./langxun.exe
-16
1

解析：在默认情况下，为了方便对结构体内元素的访问和管理，当结构体内的元素长度都小于处理器的位数的时候，便以结构体里面最长的元素为对其单位，即结构体的长度一定是最长的数据元素的整数倍；如果有结构体内存长度大于处理器位数的元素，那么就以处理器的位数为对齐单元。由于是32位处理器，而且结构体中a和b元素类型均为int（也是4个字节），所以结构体的A占用内存为4个字节。

上例程序中定义了位域结构A，两个个位域为a（占用5位），b（占用3位），所以a和b总共占用了结构A一个字节（低位的一个字节）。

当程序运行到14行时，d内存分配情况：

 高位 00110100 00110011   00110001    00110000 低位
       '4'       '3'       '1'          '0'  
 其中d.a和d.b占用d低位一个字节（00110000）,d.a : 10000, d.b : 001

d.a内存中二进制表示为10000，由于d.a为有符号的整型变量，输出时要对符号位进行扩展，所以结果为-16（二进制为11111111111111111111111111110000）

d.b内存中二进制表示为001，由于d.b为有符号的整型变量，输出时要对符号位进行扩展，所以结果为1（二进制为00000000000000000000000000000001）

三、位域的对齐

　　如果结构体中含有位域(bit-field)，那么VC中准则是：

　　1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof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，但其位宽之和大于类型的sizeof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，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式（不同位域字段存放在不同的位域类型字节中），Dev-C++和GCC都采取压缩方式；

　　系统会先为结构体成员按照对齐方式分配空间和填塞（padding）,然后对变量进行位域操作。

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