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位域是什么？
有些數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)并不需要占用一個(gè)完整的字節(jié)，只需要占用一個(gè)或幾個(gè)二進(jìn)制位即可。例如開(kāi)關(guān)只有通電和斷電兩種狀態(tài)，用 0 和 1 表示足以，也就是用一個(gè)二進(jìn)位。正是基于這種考慮，C語(yǔ)言又提供了一種叫做位域的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 在結(jié)構(gòu)體定義時(shí)，我們可以指定某個(gè)成員變量所占用的二進(jìn)制位數(shù)（Bit），這就是位域。請(qǐng)看下面的例子：
1 struct bs {2 unsigned m; 3 unsigned n: 4 ; 4 unsigned char ch: 6 ; 5 };
: 后面的數(shù)字用來(lái)限定成員變量占用的位數(shù)。成員 m 沒(méi)有限制，根據(jù)數(shù)據(jù)類型即可推算出它占用 4 個(gè)字節(jié)（Byte）的內(nèi)存。成員 n、ch 被:后面的數(shù)字限制，不能再根據(jù)數(shù)據(jù)類型計(jì)算長(zhǎng)度，它們分別占用 4、6 位（Bit）的內(nèi)存。 n、ch 的取值范圍非常有限，數(shù)據(jù)稍微大些就會(huì)發(fā)生溢出，請(qǐng)看下面的例子：
1 #include 2 int main() 3 struct bs { 4 unsigned m; 5 unsigned n: 4 ; 6 unsigned char ch: 6 ; 7 } a = { 0xad , 0xE , '$' }; 8 //第一次輸出 9 printf ("%#x, %#x, %c\n" , a.m, a.n, a.ch); 10 //更改值后再次輸出 11 a.m = 0xb8901c ; 12 a.n = 0x2d ; 13 a.ch = 'z' ; 14 printf ("%#x, %#x, %c\n" , a.m, a.n, a.ch); 15 system("pause" ); 16 return 0 ; 17 }
運(yùn)行結(jié)果： 對(duì)于 n 和 ch，第一次輸出的數(shù)據(jù)是完整的，第二次輸出的數(shù)據(jù)是殘缺的。 第一次輸出時(shí)，n、ch 的值分別是 0xE、0x24（'$' 對(duì)應(yīng)的 ASCII 碼為 0x24），換算成二進(jìn)制是 1110 、 10 0100 ，都沒(méi)有超出限定的位數(shù)，能夠正常輸出。 第二次輸出時(shí)，n、ch 的值變?yōu)?0x2d、0x7a（'z' 對(duì)應(yīng)的 ASCII 碼為 0x7a），換算成二進(jìn)制分別是 10 1101 、 111 1010 ，都超出了限定的位數(shù)。超出部分被直接截去，剩下 1101 、 11 1010 ，換算成十六進(jìn)制為 0xd、0x3a（0x3a 對(duì)應(yīng)的字符是 :）。 C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，位域的寬度不能超過(guò)它所依附的數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度。通俗地講，成員變量都是有類型的，這個(gè)類型限制了成員變量的最大長(zhǎng)度，:后面的數(shù)字不能超過(guò)這個(gè)長(zhǎng)度。
例如上面的 bs，n 的類型是 unsigned int，長(zhǎng)度為 4 個(gè)字節(jié)，共計(jì) 32 位，那么 n 后面的數(shù)字就不能超過(guò) 32；ch 的類型是 unsigned char，長(zhǎng)度為 1 個(gè)字節(jié)，共計(jì) 8 位，那么 ch 后面的數(shù)字就不能超過(guò) 8。 我們可以這樣認(rèn)為，位域技術(shù)就是在成員變量所占用的內(nèi)存中選出一部分位寬來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，只有有限的幾種數(shù)據(jù)類型可以用于位域。在 ANSI C 中，這幾種數(shù)據(jù)類型是 int、signed int 和 unsigned int（int 默認(rèn)就是 signed int）；到了 C99，_Bool 也被支持了。
但編譯器在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)都進(jìn)行了擴(kuò)展，額外支持了 char、signed char、unsigned char 以及 enum 類型，所以上面的代碼雖然不符合C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，但它依然能夠被編譯器支持。
位域的存儲(chǔ)
C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有規(guī)定位域的具體存儲(chǔ)方式，不同的編譯器有不同的實(shí)現(xiàn)，但它們都盡量壓縮存儲(chǔ)空間。 位域的具體存儲(chǔ)規(guī)則如下：
當(dāng)相鄰成員的類型相同時(shí)，如果它們的位寬之和小于類型的 sizeof 大小，那么后面的成員緊鄰前一個(gè)成員存儲(chǔ)，直到不能容納為止；如果它們的位寬之和大于類型的 sizeof 大小，那么后面的成員將從新的存儲(chǔ)單元開(kāi)始，其偏移量為類型大小的整數(shù)倍。
以下面的位域 bs 為例：
1 #include 2 int main() 3 struct bs { 4 unsigned m: 6 ; 5 unsigned n: 12 ; 6 unsigned p: 4 ; 7 }; 8 printf ("%d\n" , sizeof (struct bs)); 9 return 0 ; 10 }
運(yùn)行結(jié)果： m、n、p 的類型都是 unsigned int，sizeof 的結(jié)果為 4 個(gè)字節(jié)（Byte），也即 32 個(gè)位（Bit）。m、n、p 的位寬之和為 6+12+4 = 22 ，小于 32，所以它們會(huì)挨著存儲(chǔ)，中間沒(méi)有縫隙。 sizeof(struct bs) 的大小之所以為 4，而不是 3，是因?yàn)橐獙?nèi)存對(duì)齊到 4 個(gè)字節(jié)，以便提高存取效率。 如果將成員 m 的位寬改為 22，那么輸出結(jié)果將會(huì)是 8，因?yàn)?/span> 22+12 = 34 ，大于 32，n 會(huì)從新的位置開(kāi)始存儲(chǔ)，相對(duì) m 的偏移量是 sizeof(unsigned int) ，也即 4 個(gè)字節(jié)。 如果再將成員 p 的位寬也改為 22，那么輸出結(jié)果將會(huì)是 12，三個(gè)成員都不會(huì)挨著存儲(chǔ)。
當(dāng)相鄰成員的類型不同時(shí)，不同的編譯器有不同的實(shí)現(xiàn)方案，GCC 會(huì)壓縮存儲(chǔ)，而 VC/VS 不會(huì)。
請(qǐng)看下面的位域 bs：
1 #include 2 int main() 3 struct bs { 4 unsigned m: 12 ; 5 unsigned char ch: 4 ; 6 unsigned p: 4 ; 7 }; 8 printf ("%d\n" , sizeof (struct bs)); 9 return 0 ; 10 }
在 GCC 下的運(yùn)行結(jié)果為 4，三個(gè)成員挨著存儲(chǔ)；在 VC/VS 下的運(yùn)行結(jié)果為 12，三個(gè)成員按照各自的類型存儲(chǔ)（與不指定位寬時(shí)的存儲(chǔ)方式相同）。 m 、ch、p 的長(zhǎng)度分別是 4、1、4 個(gè)字節(jié)，共計(jì)占用 9 個(gè)字節(jié)內(nèi)存，為什么在 VC/VS 下的輸出結(jié)果卻是 12 呢？期待您的回復(fù)。
如果成員之間穿插著非位域成員，那么不會(huì)進(jìn)行壓縮。例如對(duì)于下面的 bs：
1 struct bs {2 unsigned m: 12 ; 3 unsigned ch; 4 unsigned p: 4 ; 5 };
在各個(gè)編譯器下 sizeof 的結(jié)果都是 12。 通過(guò)上面的分析，我們發(fā)現(xiàn)位域成員往往不占用完整的字節(jié)，有時(shí)候也不處于字節(jié)的開(kāi)頭位置，因此使用&獲取位域成員的地址是沒(méi)有意義的，C語(yǔ)言也禁止這樣做。地址是字節(jié)（Byte）的編號(hào)，而不是位（Bit）的編號(hào)。
無(wú)名位域
位域成員可以沒(méi)有名稱，只給出數(shù)據(jù)類型和位寬，如下所示：
1 struct bs {2 int m: 12 ; 3 int : 20 ; //該位域成員不能使用 4 int n: 4 ; 5 };
無(wú)名位域一般用來(lái)作填充或者調(diào)整成員位置。因?yàn)闆](méi)有名稱，無(wú)名位域不能使用。 上面的例子中，如果沒(méi)有位寬為 20 的無(wú)名成員，m、n 將會(huì)挨著存儲(chǔ)， sizeof(struct bs) 的結(jié)果為 4；有了這 20 位作為填充，m、n 將分開(kāi)存儲(chǔ)， sizeof(struct bs) 的結(jié)果為 8。
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