C语言位域

如果程序的结构中包含多个开关量，只有 TRUE/FALSE 变量，如下：

struct
{
  unsigned int widthValidated;
  unsigned int heightValidated;
} status;

这种结构需要 8 字节的内存空间，但在实际上，在每个变量中，我们只存储 0 或 1。在这种情况下，C 语言提供了一种更好的利用内存空间的方式。如果您在结构内使用这样的变量，您可以定义变量的宽度来告诉编译器，您将只使用这些字节。例如，上面的结构可以重写成：

struct
{
  unsigned int widthValidated : 1;
  unsigned int heightValidated : 1;
} status;

现在，上面的结构中，status 变量将占用 4 个字节的内存空间，但是只有 2 位被用来存储值。如果您用了 32 个变量，每一个变量宽度为 1 位，那么 status 结构将使用 4 个字节，但只要您再多用一个变量，如果使用了 33 个变量，那么它将分配内存的下一段来存储第 33 个变量，这个时候就开始使用 8 个字节。

#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;
}

结果

 

位域声明

在结构内声明位域的形式如下：

struct
{
  type [member_name] : width ;
};

下面是有关位域中变量元素的描述：

元素	描述
type	整数类型，决定了如何解释位域的值。类型可以是整型、有符号整型、无符号整型。
member_name	位域的名称。
width	位域中位的数量。宽度必须小于或等于指定类型的位宽度。

带有预定义宽度的变量被称为位域。位域可以存储多于 1 位的数，例如，需要一个变量来存储从 0 到 7 的值，您可以定义一个宽度为 3 位的位域，如下：

struct
{
  unsigned int age : 3;
} Age;

age 变量将只使用 3 位来存储这个值，如果试图使用超过 3 位，则无法完成。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
struct
{
  unsigned int age : 3;
} Age;
 /*age 变量将只使用 3 位来存储这个值，如果您试图使用超过 3 位，则无法完成*/
int main( )
{
   Age.age = 4;
   printf( "Sizeof( Age ) : %d\n", sizeof(Age) );
   printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
  // 二进制表示为 111 有三位，达到最大值
   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 );
   system("pause");
   return 0;
}

编译时结果有警告，调试后结果如下

如果超出范围，则直接丢掉了，存不进去。

结构体内存分配原则

原则一：结构体中元素按照定义顺序存放到内存中，但并不是紧密排列。从结构体存储的首地址开始 ，每一个元素存入内存中时，它都会认为内存是以自己的宽度来划分空间的，因此元素存放的位置一定会在自己大小的整数倍上开始。

原则二： 在原则一的基础上，检查计算出的存储单元是否为所有元素中最宽的元素长度的整数倍。若是，则结束；否则，将其补齐为它的整数倍。

#include <stdio.h>

typedef struct t1{
    char x;
    int y;
    double z;
}T1;

typedef struct t2{
    char x;
    double z;
    int y;
}T2;

int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("sizeof(T1) = %lu\n", sizeof(T1));
    printf("sizeof(T2) = %lu\n", sizeof(T2));
    system("pause");
    return 0;
}

结果

T1: 若从第 0 个字节开始分配内存，则 T1.x 存入第 0 字节，T1.y 占 4 个字节，由于第一的 4 字节已有数据，所以 T1.y 存入第 4-7 个字节，T1.z 占 8 个字节，由于第一个 8 字节已有数据，所以 T1.z 存入 8-15 个字节。共占有 16 个字节。

T2: 若从第 0 个字节开始分配内存，则 T1.x 存入第 0 字节，T1.z 占 8 个字节，由于第一的 8 字节已有数据，所以 T1.z 存入第 8-15 个字节，T1.y 占 4 个字节，由于前四个 4 字节已有数据，所以 T1.z 存入 16-19 个字节。共占有 20 个字节。此时所占字节不是最宽元素（double 长度为 8）的整数倍，因此将其补齐到 8 的整数倍，最终结果为 24。

接下来我们来测试位域内存

#include <STDIO.H>
struct ONE_BYTE
{
    unsigned char _bool : 1;
    unsigned char del_flag : 1;
    unsigned char status : 4;
} one_byte;

struct TWO_BYTE
{
    unsigned char ccc1 : 4;
    unsigned char ccc2 : 4;
    unsigned char ccc3 : 4;
    unsigned char ccc4 : 4;
} two_byte;

struct THREE_BYTE
{
    unsigned char ccc1 : 4;
    unsigned char ccc2 : 4;
    unsigned char ccc3 : 4;
    unsigned char ccc4 : 4;
    unsigned char ccc5 : 4;
} three_byte;

struct FOUR_BYTE
{
    unsigned int ccc1 : 16;
    unsigned int ccc2 : 16;
} four_byte;


struct EIGHT_BYTE
{
    unsigned char ccc1 : 1;
    unsigned int ccc2 : 1;
} eight_byte;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("sizeof one_byte is : %dB\n", sizeof(one_byte));
    printf("sizeof two_byte is : %dB\n", sizeof(two_byte));
    printf("sizeof three_byte is : %dB\n", sizeof(three_byte));
    printf("sizeof four_byte is : %dB\n", sizeof(four_byte));
    printf("sizeof eight_byte is : %dB\n", sizeof(eight_byte));
    system("pause");
    return 0;
}

结果

由输出，可以验证以下结论：

（1）结构体内存分配原则：

• 原则一：结构体中元素按照定义顺序存放到内存中，但并不是紧密排列。从结构体存储的首地址开始 ，每一个元素存入内存中时，它都会认为内存是以自己的宽度来划分空间的，因此元素存放的位置一定会在自己大小的整数倍上开始。
• 原则二： 在原则一的基础上，检查计算出的存储单元是否为所有元素中最宽的元素长度的整数倍。若是，则结束；否则，将其补齐为它的整数倍。

（2）定义位域时，各个成员的类型最好保持一致，比如都用char，或都用int，不要混合使用，这样才能达到节省内存空间的目的。