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浅谈C语言中的位段

位段(bit-field)是以位为单位来定义结构体(或联合体)中的成员变量所占的空间。含有位段的结构体(联合体)称为位段结构。采用位段结构既能够节省空间,又方便于操作。

     位段的定义格式为:

     type  [var]: digits

    其中type只能为int,unsigned int,signed int三种类型(int型能不能表示负数视编译器而定,比如VC中int就默认是signed int,能够表示负数)。位段名称var是可选参数,即可以省略。digits表示该位段所占的二进制位数。

   那么定义一个位段结构可以像下面这段代码去定义:

struct node

{

    unsigned int a:4;     //位段a,占4位

    unsigned int  :0;     //无名位段,占0位

    unsigned int b:4;     //位段b,占4位

    int c:32;             //位段c,占32位

    int  :6;              //无名位段,占6位

};

一.位段的使用

    使用位段需注意一下几点:

    1)位段的类型只能是int,unsigned int,signed int三种类型,不能是char型或者浮点型;

    2)位段占的二进制位数不能超过该基本类型所能表示的最大位数,比如在VC中int是占4个字节,那么最多只能是32位;

    3)无名位段不能被访问,但是会占据空间;

    4)不能对位段进行取地址操作;

    5)若位段占的二进制位数为0,则这个位段必须是无名位段,下一个位段从下一个位段存储单元(这里的位段存储单元经测试在VC环境下是4个字节)开始存放;

    6)若位段出现在表达式中,则会自动进行整型升级,自动转换为int型或者unsigned int。

    7)对位段赋值时,最好不要超过位段所能表示的最大范围,否则可能会造成意想不到的结果。

    8)位段不能出现数组的形式。

二.位段结构在内存中的存储方式

    对于位段结构,编译器会自动进行存储空间的优化,主要有这几条原则:

   1)如果一个位段存储单元能够存储得下位段结构中的所有成员,那么位段结构中的所有成员只能放在一个位段存储单元中,不能放在两个位段存储单元中;如果一个位段存储单元不能容纳下位段结构中的所有成员,那么从剩余的位段从下一个位段存储单元开始存放。(在VC中位段存储单元的大小是4字节).

   2)如果一个位段结构中只有一个占有0位的无名位段,则只占1或0字节的空间(C语言中是占0字节,而C++中占1字节);否则其他任何情况下,一个位段结构所占的空间至少是一个位段存储单元的大小;

  测试程序:

/*测试位段201110.12*/

#include<iostream>

using namespace std;

typedef struct node

{

    unsigned int a:1;      //存在一个非0位的位段,则至少占4Byte

}S;

typedef struct node1       //在C++中占1字节的空间 ,在C中占0字节

{

    unsigned int :0;

}S1;

typedef struct node2

{

    unsigned int a:1;

    unsigned int  :0;     //下一个位段放在一个新的位段存储单元 ,所以占4+4=8Byte

    unsigned c:32;         

}S2;

typedef struct node3

{

    unsigned int a:4;

    unsigned int  :0;

    int :6;               //这个位段放在一个新的位段存储单元

    unsigned c:32;        //由于6+32>32,所位段c也放在一个新的位段存储单元,所以占4+4+4=12Byte

}S3;

typedef struct node4 

{

    unsigned int a:1;

    char b;                //在一个位段存储单元中能够存下所有的成员,所以占4Byte

    int c:1;

    int d:2;

    unsigned int e:2;

}S4;

int main(int argc, char *argv[])

{

    S4 s4;

    s4.a=1;

    s4.c=1;

    s4.d=2;             

    s4.e=3;

    printf("%d %d %d %d\n",s4.a,s4.c,s4.d,s4.e);

    printf("%d %d %d %d %d\n",sizeof(S),sizeof(S1),sizeof(S2),sizeof(S3),sizeof(S4));

    return 0;

}

执行结果为:

1 -1 -2 3

4 1 8 12 4

请按任意键继续. . .

当打印s4的各个位段时,打印的结果与赋的初始值不同。

由于c只占1位,那么没有数据位,此时进行符号扩展直接在高位添加1,所以打印的结果为-1;

由于d占2位,那么当将2赋给d时,内存中存储的内容为10,此时进行符号扩展,高位补1,则为0XFF FF FF FE,那么其真值则为-2.

 作者 海 子

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