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：

1structbs{ 2unsignedm; 3unsignedn:4; 4unsignedcharch:6; 5}; :后面的數(shù)字用來限定成員變量占用的位數(shù)。成員 m 沒有限制，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 2intmain(){ 3structbs{ 4unsignedm; 5unsignedn:4; 6unsignedcharch:6; 7}a={0xad,0xE,'$'}; 8//第一次輸出 9printf("%#x,%#x,%c ",a.m,a.n,a.ch); 10//更改值后再次輸出 11a.m=0xb8901c; 12a.n=0x2d; 13a.ch='z'; 14printf("%#x,%#x,%c ",a.m,a.n,a.ch); 15system("pause"); 16return0; 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語言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，位域的寬度不能超過它所依附的數(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 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 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存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

C語言標(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語言標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(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 2intmain(){ 3structbs{ 4unsignedm:6; 5unsignedn:12; 6unsignedp:4; 7}; 8printf("%d ",sizeof(structbs)); 9return0; 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)?2+12 = 34，大于 32，n 會(huì)從新的位置開始存儲(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 2intmain(){ 3structbs{ 4unsignedm:12; 5unsignedcharch:4; 6unsignedp:4; 7}; 8printf("%d ",sizeof(structbs)); 9return0; 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：

1structbs{ 2unsignedm:12; 3unsignedch; 4unsignedp:4; 5}; 在各個(gè)編譯器下 sizeof 的結(jié)果都是 12。 通過上面的分析，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)的開頭位置，因此使用&獲取位域成員的地址是沒有意義的，C語言也禁止這樣做。地址是字節(jié)（Byte）的編號(hào)，而不是位（Bit）的編號(hào)。

無名位域

位域成員可以沒有名稱，只給出數(shù)據(jù)類型和位寬，如下所示：

1structbs{ 2intm:12; 3int:20;//該位域成員不能使用 4intn:4; 5}; 無名位域一般用來作填充或者調(diào)整成員位置。因?yàn)闆]有名稱，無名位域不能使用。 上面的例子中，如果沒有位寬為 20 的無名成員，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 將分開存儲(chǔ)，sizeof(struct bs)的結(jié)果為 8。

原文標(biāo)題：C語言位域（位段）詳解

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