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《小菜狗 C 语言入门 + 进阶笔记》目录：《小菜狗 C 语言入门 + 进阶笔记》（0）简介
1、 什么是位段
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 1 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。
2、位域的定义
位域定义与结构定义相仿，其定义的形式为：
struct 位域结构名
{
位域列表
};
其中位域列表的形式为：
type [member_name] : width ;
下面是有关位域中变量元素的描述：
| 元素 | 描述 |
|---|---|
| type | 只能为 int(整型)，unsigned int(无符号整型)，signed int(有符号整型) 三种类型。 |
| 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。
2.1、简单举例
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;
上面的结构定义指示 C 编译器，age 变量将只能使用 3 位来存储这个值，如果您试图使用超过 3 位，则报错。
2.2、加深举例
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。
以下的代码定义了一个名为 struct bs 的结构体，data 为 bs 的结构体变量，共占四个字节。
struct bs{
int a:8;
int b:2;
int c:6;
} data;
对于位域来说，它们的宽度不能超过其数据类型的大小，在这种情况下，int 类型的大小通常是 4 个字节（32 位）。
2.3、进阶举例
struct packed_struct {
unsigned int f1:1;
unsigned int f2:1;
unsigned int f3:1;
unsigned int f4:1;
unsigned int type:4;
unsigned int my_int:9;
} pack;
以上代码定义了一个名为 packed_struct 的结构体，其中包含了六个成员变量，pack 为 packed_struct 的结构体变量。
在这里，packed_struct 包含了 6 个成员：四个 1 位的标识符 f1…f4、一个 4 位的 type 和一个 9 位的 my_int。
3、位域和结构体
C 语言的位域（bit-field）是一种特殊的结构体成员，允许我们按位对成员进行定义，指定其占用的位数。
如果程序的结构中包含多个开关的变量，即变量值为 TRUE/FALSE，如下：
struct
{
unsigned int True;
unsigned int False;
} 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 True : 1;
unsigned int False : 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。
让我们看看下面的实例来理解这个概念：
#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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Memory size occupied by status1 : 8
Memory size occupied by status2 : 4
位域的声明和结构体是类似的，但是不同之处如下：
- 定义位域时，可以指定成员的位域宽度，即成员所占用的位数。
- 位域的宽度不能超过其数据类型的大小，因为位域必须适应所使用的整数类型。
- 位域的数据类型可以是
int、unsigned int、signed int等整数类型，也可以是枚举类型。 - 位域可以单独使用，也可以与其他成员一起组成结构体。
- 位域的访问是通过点运算符（
.）来实现的，与普通的结构体成员访问方式相同。
4、计算字节数
#include <stdio.h>
struct example1 {
int a : 4;
int b : 5;
int c : 7;
};
int main() {
struct example1 ex1;
printf("Size of example1: %lu bytes\n", sizeof(ex1));
return 0;
}
以上实例中，example1 结构体包含三个位域成员 a，b 和 c，它们分别占用 4 位、5 位和 7 位。
通过 sizeof 运算符计算出 example1 结构体的字节数，并输出结果：
Size of example1: 4 bytes
5、位域使用的注意事项
位段的几个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的 bit 位是没有地址的。
所以不能对位段的成员使用 & 操作符，这样就不能使用 scanf 直接给位段的成员输入值，只能是先输入放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
int main()
{
struct A sa = {0};
//这是错误的
scanf("%d", &sa._b);
//正确的⽰范
int b = 0;
scanf("%d", &b);
sa._b = b;
return 0;
}
6、实例
6.1、实例 1
#include <stdio.h>
struct packed_struct {
unsigned int f1 : 1; // 1位的位域
unsigned int f2 : 1; // 1位的位域
unsigned int f3 : 1; // 1位的位域
unsigned int f4 : 1; // 1位的位域
unsigned int type : 4; // 4位的位域
unsigned int my_int : 9; // 9位的位域
};
int main() {
struct packed_struct pack;
pack.f1 = 1;
pack.f2 = 0;
pack.f3 = 1;
pack.f4 = 0;
pack.type = 7;
pack.my_int = 255;
printf("f1: %u\n", pack.f1);
printf("f2: %u\n", pack.f2);
printf("f3: %u\n", pack.f3);
printf("f4: %u\n", pack.f4);
printf("type: %u\n", pack.type);
printf("my_int: %u\n", pack.my_int);
return 0;
}
以上实例定义了一个名为 packed_struct 的结构体，其中包含了多个位域成员。
在 main 函数中，创建了一个 packed_struct 类型的结构体变量 pack，并分别给每个位域成员赋值。
然后使用 printf 语句打印出每个位域成员的值。
输出结果为：
f1: 1
f2: 0
f3: 1
f4: 0
type: 7
my_int: 255
6.2、实例 2
#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：
Sizeof( Age ) : 4
Age.age : 4
Age.age : 7
Age.age : 0
6.2.1、扩展
文中例子解析：
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*/
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);
// 二进制表示为 1000 有四位，超出
Age.age = 8;
printf("Age.age : %d\n", Age.age);
如果超出范围，则直接丢掉了，存不进去。
6.2.2、修订
// 二进制表示为 1000 有四位，超出
Age.age = 8;
printf("Age.age : %d\n", Age.age);
超出范围并不是直接丢弃，而是保留对应的 3 位的值。
比如 8 是 00001000，按照位域，对应 3 位的值是 000，所以打印结果是 0；
但是 9 是 00001001，按照位域，对应 3 位的值是 001，所以打印结果是 1；
同理 10 是 00001010,按照位域，对应 3 位的值是 010，所以打印结果是 2；
Age.age = 9; // 二进制表示为 1001 有四位，超出
printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
Age.age = 10; // 二进制表示为 1010 有四位，超出
printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
以下是 4, 7, 8, 9, 10 的打印结果：
Sizeof( Age ) : 4
Age.age : 4
Age.age : 7
Age.age : 0
Age.age : 1
Age.age : 2
7、扩展
7.1、无名位域
位域成员可以没有名称，只给出数据类型和位宽，如下所示：
struct bs{
int m: 12;
int : 20; //该位域成员不能使用
int n: 4;
};
无名位域一般用来作填充或者调整成员位置。因为没有名称，无名位域不能使用。
上面的例子中，如果没有位宽为 20 的无名成员，m、n 将会挨着存储，sizeof(struct bs) 的结果为 4；有了这 20 位作为填充，m、n 将分开存储，sizeof(struct bs) 的结果为 8。
7.2、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。
测试实例：
#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));
return 0;
}
输出：
sizeof(T1) = 16
sizeof(T2) = 24
解析：
sizeof(T1.x) = sizeof(T2.x) = 1;
sizeof(T1.y) = sizeof(T2.y) = 4;
sizeof(T1.z) = sizeof(T2.z) = 8;
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。
7.3、位域的内存大小测试
// 位域内存测试
#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 : %lu\n", sizeof(one_byte));
printf("sizeof two_byte is : %lu\n", sizeof(two_byte));
printf("sizeof three_byte is : %lu\n", sizeof(three_byte));
printf("sizeof four_byte is : %lu\n", sizeof(four_byte));
printf("sizeof eight_byte is : %lu\n", sizeof(eight_byte));
return 0;
}
输出结果为：
sizeof one_byte is : 1B
sizeof two_byte is : 2B
sizeof three_byte is : 3B
sizeof four_byte is : 4B
sizeof eight_byte is : 4B
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。
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