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C語言位域和位段

有些資訊在儲存時,並不需要佔用一個完整的位元組, 而只需佔幾個或一個二進位制位。例如在存放一個開關量時,只有0和1 兩種狀態, 用一位二進位即可。為了節省儲存空間,並使處理簡便,C語言又提供了一種資料結構,稱為“位域”或“位段”。所謂“位域”是把一個位元組中的二進位劃分為幾個不同的區域, 並說明每個區域的位數。每個域有一個域名,允許在程式中按域名進行操作。 這樣就可以把幾個不同的物件用一個位元組的二進位制位域來表示。
一、位域的定義和位域變數的說明位域定義與結構定義相仿,其形式為: 

struct 位域結構名 
{

 位域列表

};

其中位域列表的形式為:

型別說明符 位域名位域長度

位域變數的說明與結構變數說明的方式相同。 可採用先定義後說明,同時定義說明或者直接說明這三種方式。例如:

struct bs
{
  int a:8;
  int b:2;
  int c:6;
}data; 

說明data為bs變數,共佔兩個位元組。其中位域a佔8位,位域b佔2位,位域c佔6位。對於位域的定義尚有以下幾點說明:


1. 一個位域必須儲存在同一個位元組中,不能跨兩個位元組。如一個位元組所剩空間不夠存放另一位域時,應從下一單元起存放該位域。也可以有意使某位域從下一單元開始。例如:

struct bs
{
    unsigned a:4
    unsigned b:
5 /*從下一單元開始存放*/ unsigned c:4 }

2. 由於位域不允許跨兩個位元組,因此位域的長度不能大於一個位元組的長度

3. 位域可以無位域名,這時它只用來作填充或調整位置。無名的位域是不能使用的。例如:

struct k
{
    int a:1
    int :2 /*無位域名,該2位不能使用*/
    int b:3
    int c:2
}; 

二、位域的使用

下面例子是參加一個公司(白領科技-青島)的筆試遇到的,當時做錯了,為了怕忘了,趕緊寫下來。

 1 #include <iostream>
 2 #include <memory.h>
 3
using namespace std; 4 struct A 5 { 6 int a:5; 7 int b:3; 8 }; 9 int main(void) 10 { 11 char str[100] = "0134324324afsadfsdlfjlsdjfl"; 12 struct A d; 13 memcpy(&d, str, sizeof(A)); 14 cout << d.a << endl; 15 cout << d.b << endl; 16 return 0; 17 }

在32位x86機器上輸出:

?
$ ./langxun.exe -16 1

解析:在預設情況下,為了方便對結構體內元素的訪問和管理,當結構體內的元素長度都小於處理器的位數的時候,便以結構體裡面最長的元素為對其單位,即結構體的長度一定是最長的資料元素的整數倍;如果有結構體記憶體長度大於處理器位數的元素,那麼就以處理器的位數為對齊單元。由於是32位處理器,而且結構體中a和b元素型別均為int(也是4個位元組),所以結構體的A佔用記憶體為4個位元組。

上例程式中定義了位域結構A,兩個個位域為a(佔用5位),b(佔用3位),所以a和b總共佔用了結構A一個位元組(低位的一個位元組)。

當程式執行到14行時,d記憶體分配情況:

 高位 00110100 00110011   00110001    00110000 低位
       '4'       '3'       '1'          '0'  
 其中d.a和d.b佔用d低位一個位元組(00110000),d.a : 10000, d.b : 001

 d.a記憶體中二進位制表示為10000,由於d.a為有符號的整型變數,輸出時要對符號位進行擴充套件,所以結果為-16(二進位制為11111111111111111111111111110000)

 d.b記憶體中二進位制表示為001,由於d.b為有符號的整型變數,輸出時要對符號位進行擴充套件,所以結果為1(二進位制為00000000000000000000000000000001)

 三、位域的對齊

  如果結構體中含有位域(bit-field),那麼VC中準則是:

  1) 如果相鄰位域欄位的型別相同,且其位寬之和小於型別的sizeof大小,則後面的欄位將緊鄰前一個欄位儲存,直到不能容納為止;

  2) 如果相鄰位域欄位的型別相同,但其位寬之和大於型別的sizeof大小,則後面的欄位將從新的儲存單元開始,其偏移量為其型別大小的整數倍;

  3) 如果相鄰的位域欄位的型別不同,則各編譯器的具體實現有差異,VC6採取不壓縮方式(不同位域欄位存放在不同的位域型別位元組中),Dev-C++和GCC都採取壓縮方式;

  系統會先為結構體成員按照對齊方式分配空間和填塞(padding),然後對變數進行位域操作。