数值、位域的内存表示

本文通过C语言示例详细解析了位域和数值在内存中的表示方式,并展示了不同数值和位域设置对内存布局的影响。

数值、位域的内存表示

#include <stdio.h>
#include <string.h>

void see(char*p, int size);

struct weiyu
{
    int f1 : 1;
    int f2 : 2;
    int f3 : 3;
    int f4 : 4;
    int f5 : 5;
    int f6 : 6;
    int f7 : 7;
    int f8 : 8;
    int f9 : 9;
    int f10 : 10;
};
void testwy()
{
    printf("位域的内存表示 值为0的位即是字段在内存中占用的空间\n");

    printf("sizeof(weiyu)=%d\n",sizeof(struct weiyu));
    struct weiyu wy1;

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f1 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f2 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f3 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f4 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f5 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f6 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f7 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f8 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f9 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

    memset(&wy1, 0xff, sizeof(wy1));
    wy1.f10 = 0;
    see((char *)&wy1, sizeof(wy1));

}

void binarryStr(char c, char str[9]){
    for (size_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        str[7 - i] = (c & 1 == 1) ? '1' : '0';
        c = c >> 1;
    }
}

void see(char*p, int size)
{
    for (int i = 0; i<size; i++)
    {
        char c = *(p + i) ;
        char str[9] = { 0 };
        binarryStr(c, str);
        printf("%s ", str);
    }
    printf("\n");
}

void testshuzhi()
{
    printf("数值的内存表示0 ~ 3,0xff-2 ~ 0xff+4 \n");
    for (size_t i = 0; i < 4; i = i+1)
    {
        see((char *)&i, 4);
    }
    printf("\n");
    for (size_t i = 0xff-2; i < 0xff+4; i = i + 1)
    {
        see((char *)&i, 4);
    }
}
int main()
{
    testwy();
    printf("\n");
    testshuzhi();
    return 0;
}

打印结果

注意:
1,大端模式:高字节在内存的低地址中。假设内存地址从左往右升高,则高字节在左边,简单记为大端模式大数在前,小端模式大数在后。
2,小端模式下,第一比特位在第一字节最后一位,以此往前递推,直至本字节用完,再从第二字节第一比特位开始。
3,位域占用的比特位顺序与数值的比特位顺序相同。

操作是一种在编程中对数据的二进制进行处理的技术,常用于嵌入式系统、网络协议解析、数据压缩等领。通过操作,可以高效地访问和修改数据的特定二进制,从而节省内存空间并提高程序的执行效率。 ### 的基本概念 在C/C++等语言中,(bit field)允许将结构体中的成员按来分配存储空间。例如,一个标志只需要1,而不是一个完整的字节。这种机制可以显著减少内存占用,尤其是在需要存储大量标志或状态信息时。 ```c struct { unsigned int flag1 : 1; // 1 unsigned int flag2 : 1; unsigned int value : 4; // 4 } bitField; ``` 在这个例子中,`flag1`和`flag2`各占1,而`value`占4,总共只需要6存储空间。编译器会自动将这些打包到最小的字节数中[^1]。 ### 操作的使用方法 #### 1. **设置(Set Bit)** 设置某一为1,可以使用按或操作符(`|`)结合移操作符(`<<`)来实现。 ```c unsigned int setBit(unsigned int num, int pos) { return num | (1 << pos); } ``` #### 2. **清除(Clear Bit)** 清除某一为0,可以使用按与操作符(`&`)结合按非操作符(`~`)和移操作符。 ```c unsigned int clearBit(unsigned int num, int pos) { return num & ~(1 << pos); } ``` #### 3. **翻转(Toggle Bit)** 翻转某一的值,可以使用按异或操作符(`^`)。 ```c unsigned int toggleBit(unsigned int num, int pos) { return num ^ (1 << pos); } ``` #### 4. **检查(Check Bit)** 检查某一是否为1,可以使用按与操作符。 ```c int isBitSet(unsigned int num, int pos) { return (num & (1 << pos)) != 0; } ``` ### 操作的示例 #### 示例 1:使用定义结构体 以下是一个典型的结构体定义,用于表示一个简单的状态寄存器: ```c #include <stdio.h> struct StatusRegister { unsigned int error : 1; // 1表示是否有错误 unsigned int busy : 1; // 1表示是否忙碌 unsigned int mode : 2; // 2表示操作模式(0-3) unsigned int reserved : 4; // 4,保留 }; int main() { struct StatusRegister reg = {0}; reg.error = 1; reg.busy = 0; reg.mode = 2; printf("Error: %d\n", reg.error); printf("Busy: %d\n", reg.busy); printf("Mode: %d\n", reg.mode); return 0; } ``` 输出结果: ``` Error: 1 Busy: 0 Mode: 2 ``` 在这个示例中,`StatusRegister`结构体仅占用1 + 1 + 2 + 4 = 8(即1个字节),而如果使用普通的整数类型,则每个字段至少需要4个字节,总共需要16个字节[^1]。 #### 示例 2:使用运算操作 以下代码展示了如何使用运算来设置、清除、翻转和检查: ```c #include <stdio.h> unsigned int setBit(unsigned int num, int pos) { return num | (1 << pos); } unsigned int clearBit(unsigned int num, int pos) { return num & ~(1 << pos); } unsigned int toggleBit(unsigned int num, int pos) { return num ^ (1 << pos); } int isBitSet(unsigned int num, int pos) { return (num & (1 << pos)) != 0; } int main() { unsigned int value = 0; value = setBit(value, 3); // 设置第3 printf("After setting bit 3: %u\n", value); // 输出 8 value = clearBit(value, 3); // 清除第3 printf("After clearing bit 3: %u\n", value); // 输出 0 value = toggleBit(value, 3); // 翻转第3 printf("After toggling bit 3: %u\n", value); // 输出 8 printf("Is bit 3 set? %d\n", isBitSet(value, 3)); // 输出 1 return 0; } ``` ### 操作的应用场景 1. **嵌入式系统**:在嵌入式系统中,硬件寄存器通常由多个标志组成,使用可以直接访问这些,简化对硬件的控制。 2. **协议解析**:在网络通信中,许多协议(如TCP/IP)的数据包头部包含多个字段,使用可以方便地解析这些字段。 3. **数据压缩**:在某些压缩算法中,需要将多个标志或小数值打包到一个字节中,以减少存储或传输的开销。 ###
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