C语言中的位域

C语言中的位域

定义

    struct bit_fields{    /*位域名*/

       /*----- 位域列表------- */

      /*typename varname:bit_field_length, for example :  */

      int field1:2;

      char field2:3;

      uint64_t field3:8;

      /* ...  */

    }；

用法

1.无名位域

用来填充和调整位置，硬件寄存器中经常有未使用的bit，可以用无名位域来对应这些bit，例如

typedef struct{
unsigned enable:1;
unsigned :2;
unsigned interrupt_enable:1;
}SPI_CR;

寄存器SPI_CR中enable位和interrupt_enable位中间空了2个bit，用unsigned:2无名位域来填充。

2.不能用来指定位数的类型

如果struct成员是指针变量不能用来指定所占的位数，在64位软件中指针固定站8字节，在32位软件中指针固定占4字节；

在struct成员是double或float类型，也不能指定位数，否则编译出错，位域类型无效。

3.压缩存储规则

    a.window vc10编译器：（在vs2010上测试）

        1.如果相邻位域字段的类型长度相同（只需要长度相同，无需类型严格一致），且它们的位数之和小于类型所占位数，则后面一个字段紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；

        2.若不能容纳，则从新的存储单元开始，新的存储单元从类型所占字节数的整数倍处开始，符合结构体成员对齐准则，详见 https://blog.youkuaiyun.com/xiaoyink/article/details/80174062

        3.若相邻类型长度不同，则不压缩。

                如下type1中int a:2占4字节，char b:2不与int a合并，所以占1个字节，char d与char b合并，所以不单独占空间，int c 不与char b; char d; 合并，并且4字节对齐，所以char b; char d;之后空出3字节，然后是 int c占用4字节，至此，已占空间为12字节，uint64_t e不与int c合并，所以单独占用空间，且8字节对齐，所以前12字节后要补4字节，凑成16个字节，满足8字节对齐，然后 uint64_t占用8字节，总共24字节。

                若将uint64_t e换成uint32_t e，则e将和int c合并压缩，不在单独占用空间，总大小将变成12字节。希望通过此例能掌握vc10编译器中位域的使用。

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

struct type1{
    int a:2;
    char b:2;
    char d:2;
    int c:2;
    uint64_t e:2;
};

struct type2{
    int a:2;
    int b:2;
};

struct type3{
    int a:2;
    uint32_t b:2;
};

int main()
{
    printf("sizeof(type1) is %u\n", sizeof(struct type1));
    printf("sizeof(type2) is %u\n", sizeof(struct type2));
    printf("sizeof(type3) is %u\n", sizeof(struct type3));
    system("pause");
    return 0;
}

运行结果：

sizeof(type1) is 24
sizeof(type2) is 4
sizeof(type3) is 4

    b.linux gcc编译器：(gcc 4.9.2测试)

    1.无论相邻字段位域 类型长度是否相等，gcc都采用压缩的处理

    2.类型长度相等时，比较简单，基本和vc编译器一样，这里不再赘述；

    3.长度不同，首先要满足一条，整个结构体的长度为结构体中最长数据类型长度的整数倍，由于结构体成员的长度不同，每次需要开辟存储空间时开辟的长度与当前成员的类型长度相关，但最终都会以最长数据类型长度对齐，在关键位置放置合适的类型长度可以提高内存使用率，例如以下结构体    

struct op_code_t {
    unsigned na:4; 
    unsigned mod:6;
    unsigned pr:4;
    unsigned re0:6;
    unsigned re1:6;
    unsigned long immea:22;
    unsigned immeb:10;
    unsigned nb:6;
};//__attribute__((packed));

将immea声明为unsigned long类型，结构体的长度为8字节，在immea处，前面已经使用了26bit，immea类型长度为8byte，所以第一个存储单元的长度将延长至8byte，immea将占用22bit，总共48bit，小于64bit，不用开辟新的存储单元，immeb类型为unsigned，长度4byte，immeb所在的4字节已经别用掉了48%32= 16bit，剩余空间仍然足够存储10位，所以不用开辟新的存储单元，nb同理，所以最终结构体占8byte。

若在将unsigned long放置在其他任何位置，将immea成员换成unsigned，则整体大小变为16字节，如下：

struct op_code_t {
    unsigned na:4; 
    unsigned mod:6;
    unsigned pr:4;
    unsigned re0:6;
    unsigned long re1:6;
    unsigned immea:22;
    unsigned immeb:10;
    unsigned nb:6;
};//__attribute__((packed));

    如上例，首先编译器开辟第一个存储单元，长度为4byte，32bit足够na、mod、pr、re0使用，到re1时，re1类型变为unsigned long类型，第一个存储单元长度延长为8byte，至re1处，共用了26bit，至immea处，存储单元长度又变为sizeof(unsigned)，immea所在4字节26%32=26bit，不足以存储immea，所以开辟新的存储单元，长度为4byte，当然，新开辟的存储单元和第一个长度为8byte的存储单元后4byte重合（由此可见，当前使用的存储单元的长度由当前成员变量的类型而定的，并不是一成不变的），immea和immeb正好32bit，刚好用完，到nb，开辟第三块存储单元，长度4byte，只使用了6bit，然后对第三块存储单元进行8byte对齐，最终长度为16byte。

所以规律如下：

        gcc计算存储单元的长度和当前成员的类型长度相等，若当前成员所在的空间除去之前成员使用的bit数，足够存储当前成员的bit数，则不开辟新的存储单元，否则开辟长度为当前成员类型长度的新的存储单元，直到结构体末尾，然后按照最长成员类型长度进行对齐。

    再举一例，将上述结构体改变如下：

struct op_code_t {
    unsigned char na:4; 
    unsigned mod:6;
    unsigned char pr:4;
    unsigned re0:6;
    unsigned long re1:6;
    unsigned immea:22;
    unsigned immeb:10;
    unsigned nb:6;
};//__attribute__((packed));

第一个存储单元仍为1字节，na使用了4bit，到第二个成员mod时存储单元长度变为4byte，mod使用6bit，加上之前的4bit，总共使用10bit，到pr时，存储单元长度又变为1byte，pr所在的字节，已经被mod用了10%8=2bit，剩余6bit，pr使用4bit，最终剩余2bit；到re0时存储单元长度变为4byte，前面已经使用了4+6+4=14bit，re0使用6bit，至此共使用20bit；到re1处，存储单元长度变为8byte，共使用26bit；至immea存储单元长度变为32bit，已使用26bit，开辟第二块存储单元，长度为4byte，immea存储到第二块存储单元，immeb紧随其后，nb开辟新的存储单元，最后8byte对齐，总共占用16byte。

    上例中如果使用gccde _attribute__((packed))属性则，结构体之间无间隙，所有的位将紧挨在一起，共8byte，详见：

http://blog.shengbin.me/posts/gcc-attribute-aligned-and-packed