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【转】位域 bit field

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【转】位域bit field【并修改】

一、位域  
   
       有些信息在存储时,并不需要占用一个完整的字节,      而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时,只有0和1      两种状态,      用一位二进位即可。为了节省存储空间,并使处理简便,C语言又提供了一种数据结构,称为“位域”或“位段”。所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域,并说明每个区域的位数。每个域有一个域名,允许在程序中按域名进行操作。这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。一、位域的定义和位域变量的说明位域定义与结构定义相仿,其形式为:  
   
       struct      位域结构名  
       {      位域列表      };  
   
       其中位域列表的形式为:      类型说明符      位域名:位域长度  
   
       例如:  
   
     struct      bs  
     {  
      int      a:8;  
      int      b:2;  
      int      c:6;  
     };  
   
   
       位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。      可采用先定义后说明,同时定义说明或者直接说明这三种方式。例如:  
   
     struct      bs  
     {  
      int      a:8;  
      int      b:2;  
      int      c:6;  
     }data;  
   
       说明data为bs变量,共占两个字节。其中位域a占8位,位域b占2位,位域c占6位。对于位域的定义尚有以下几点说明:  
   
       1.      一个位域必须存储在同一个字节中,不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时,应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。例如:  
   
     struct      bs  
     {  
      unsigned      a:4  
      unsigned      :0      /*空域*/  
      unsigned      b:4      /*从下一单元开始存放*/  
      unsigned      c:4  
     }  
   
       在这个位域定义中,a占第一字节的4位,后4位填0表示不使用,b从第二字节开始,占用4位,c占用4位。  
   
       2.      由于位域不允许跨两个字节,因此位域的长度不能大于一个字节的长度,也就是说不能超过8位二进位。  
        
       3.      位域可以无位域名,这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。例如:  
   
     struct      k  
     {  
      int      a:1  
      int      :2      /*该2位不能使用*/  
      int      b:3  
      int      c:2  
     };  
   
       从以上分析可以看出,位域在本质上就是一种结构类型,      不过其成员是按二进位分配的。  
   
       二、位域的使用  
   
       位域的使用和结构成员的使用相同,其一般形式为:      位域变量名·位域名      位域允许用各种格式输出。  
   
     main(){  
      struct      bs  
      {  
       unsigned      a:1;  
       unsigned      b:3;  
       unsigned      c:4;  
      }      bit,*pbit;  
      bit.a=1;  
      bit.b=7;  
      bit.c=15;  
      printf(“%d,%d,%dn”,bit.a,bit.b,bit.c);  
      pbit=&bit;  
      pbit->a=0;  
      pbit->b&=3;  
      pbit->c|=1;  
      printf(“%d,%d,%dn”,pbit->a,pbit->b,pbit->c);  
     }  
   
       上例程序中定义了位域结构bs,三个位域为a,b,c。说明了bs类型的变量bit和指向bs类型的指针变量pbit。这表示位域也是可以使用指针的。  
   
       程序的9、10、11三行分别给三个位域赋值。(      应注意赋值不能超过该位域的允许范围)程序第12行以整型量格式输出三个域的内容。第13行把位域变量bit的地址送给指针变量pbit。第14行用指针方式给位域a重新赋值,赋为0。第15行使用了复合的位运算符”&=”,      该行相当于:      pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值为7,与3作按位与运算的结果为3(111&011=011,十进制值为      3)。同样,程序第16行中使用了复合位运算”|=”,      相当于:      pbit->c=pbit->c|1其结果为15。程序第17行用指针方式输出了这三个域的值。

这也是在ChinaUnix上看了几篇关于C语言’位域(Bit      Fields)’的帖子之后,才想写下这篇文章的。其实在平时的工作中很少使用到’位域’,我是搞服务器端程序设计的,大容量的内存可以让我毫不犹豫的任意’挥霍’^_^。想必搞嵌入式编程的朋友们对位域的使用应该不陌生吧。这里我也仅仅是凭着对C语言钻研的兴趣来学习一下’位域’的相关知识的,可能有些说法没有实践,缺乏说服力。  
   
     具体也不是很清楚当年C语言的创造者为什么要加入位域这一语法支持,那是太遥远的事情了,我们不需要再回顾了,既然大师们为我们创造了它,我们使用便是了。  
   
     毋庸置疑,位域的引入给用户的最大的好处莫过于可以有效的利用’昂贵’的内存和操作bit的能力了。而且这种操作bit位的能力很是方便,利用结构体域名即可对这些bit进行操作。例如:  
   
     struct      foo      {  
       int      a      :      1;  
       int      b      :      2;  
       short      c      :      1;  
     };  
   
     struct      foo      aFoo;  
     aFoo.a      =      1;  
     aFoo.b      =      3;  
     aFoo.c      =      0;  
   
     通过结构体实例.域名即可修改某些bit得值,这些都是编译器的’甜头’。当然我们也可以自己通过一些’掩码’和移位操作来修改这些bit,当然如果不是十分需要,我们是不需要这么做的。  
   
     位域还提供一种叫’匿名’位域的语法,它常用来’填缺补漏’,由于是’匿名’,所以你不能像上面那样去访问它。如:  
     struct      foo1      {  
       int      a      :      1;  
       int          :      2;  
       short      c      :      1;  
     };  
     在foo1的成员a和c之间有一个2      bits的匿名位域。  
   
     在foo结构体的定义中,成员a虽然类型为int,但是它仅仅占据着4个字节中的一个bit的空间;类似b占据2个bit空间,但是b到底是占据第一个int的2个bit空间呢还是第二个int的2个bit空间呢?这里实际上也涉及到如何对齐带有’位域’的结构体这样一个问题。我们来分析一下。  
   
     我们再来看看下面两个结构体定义:  
     struct      foo2      {  
                     char            a      :      2;  
                     char            b      :      3;  
                     char            c      :      1;  
     };  
   
     struct      foo3      {  
                     char            a      :      2;  
                     char            b      :      3;  
                     char            c      :      7;  
     };  
     我们来打印一下这两个结构体的大小,我们得到的结果是:  
     sizeof(struct      foo2)      =      1  
     sizeof(struct      foo3)      =      2  
     显然都不是我们期望的,如果按照正常的内存对齐规则,这两个结构体大小均应该为3才对,那么问题出在哪了呢?首先通过这种现象我们可以肯定的是:带有’位域’的结构体并不是按照每个域对齐的,而是将一些位域成员’捆绑’在一起做对齐的。以foo2为例,这个结构体中所有的成员都是char型的,而且三个位域占用的总空间为6      bit      <      8      bit(1      byte),这时编译器会将这三个成员’捆绑’在一起做对齐,并且以最小空间作代价,这就是为什么我们得到sizeof(struct      foo2)      =      1这样的结果的原因了。再看看foo3这个结构体,同foo2一样,三个成员类型也都是char型,但是三个成员位域所占空间之和为9      bit      >      8      bit(1      byte),个人认为这句话应该改为:但是Foo3的前两个成员所占空间是2+3=5,所以第一个字节只剩下8-5=3,不够存放第三个成员的7个字节,而规则要求,不允许成员跨字节存放,所以只能另外将此7字节单独分配,故又占了一个字节,这里位域是不能跨越两个成员基本类型空间的,这时编译器将a和b两个成员’捆绑’按照char做对齐,而c单独拿出来以char类型做对齐,这样实际上在b和c之间出现了空隙,但这也是最节省空间的方法了。我们再看一种结构体定义:  
   
     struct      foo4      {  
                     char            a      :      2;  
                     char            b      :      3;  
                     int      c      :      1;  
     };  
   
     在foo4中虽然三个位域所占用空间之和为6      bit      <      8      bit(1      byte),但是由于char和int的对齐系数是不同的,是不能捆绑在一起,那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐,c单独按照int对齐呢?我们打印一下sizeof(struct      foo4)发现结果为4,也就是说编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。  
   
     通过上面的例子我们发现很难总结出很规律性的东西,但是带有’位域’的结构体的对齐有条原则可以遵循,那就是:”尽量减少结构体的占用空间”。当然显式的使用内存对齐的机会也并不多。^_^

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