C语言【位段】详解

引言详细介绍C语言中的位段是什么位段的内存分配位段的跨平台问题位段的应用位段使用时的注意事项一、位段是什么在 C 语言里位段Bit - field属于一种特殊的数据结构它允许你在一个结构体里以位为单位对数据进行定义和使用这样就能更有效地利用内存空间。位段的声明和结构体是类似的有两个不同1. 位段的成员必须是 int 、 unsigned int 或 signed int 在C99中位段成员的类型也可以 选择其他类型。2. 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。比如struct A { int _a : 2; int _b : 5; int _c : 10; int _d : 30; };这里A就是一个位段对比一下结构体和位段在内存中的大小//结构体 struct A1 { int _a; int _b; int _c; int _d; }; //位段 struct A2 { int _a : 2; int _b : 5; int _c : 10; int _d : 30; }; int main() { printf(%zd\n, sizeof(struct A1));//16 printf(%zd\n, sizeof(struct A2));//8 return 0; }运行结果会发现位段A2占8个字节结构体A1占16个字节这是为什么呢二、位段的内存分配struct A { int _a : 2; //占用2个bit位 int _b : 5; //占用5个bit位 int _c : 10; //占用10个bit位 int _d : 30; //占用30个bit位 };1. 位段的成员可以是 int , unsigned int , signed int 或者是char 等类型。2. 位段的空间上是按照需要以4个字节 int 或者1个字节 char 的方式来开辟的。3.位段涉及很多不确定因素位段是不跨平台的注重可移植的程序应该避免使用位段。举一个例子来说明一下代码struct S { char a : 3; //占3个bit char b : 4; //占4个bit char c : 5; //占5个bit char d : 4; //占4个bit }; int main() { struct S s { 0 }; printf(%zd\n, sizeof(struct S)); s.a 10; //令a 10 二进制是 1010 只能放 3位哪三位不确定 s.b 12; //令b 12 二进制是 1100 4个bit可以放下 s.c 3; //令c 3 二进制是 0011 5个bit可以放下 s.d 4; //令d 4 二进制是 0100 4个bit可以放下 } //空间是如何开辟的这里是在VS2022上1. 申请到一个字节在使用的时候这些比特位从左向右使用还是从右向左使用不确定假设是从右向左使用。2.剩余的空间不够下一个成员使用是否浪费不确定。假设是浪费看下图分析上图中的3个字节里面的二进制是 01100010 00000011 00000100对应的十六进制是4个二进制转化成1个十六进制6 2 0 3 0 4调试一下运行结果说明假设正确。三、位段的跨平台问题1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。2. 位段中最大位的数目不能确定。16位机器最大1632位机器最大32写成27在16位机器会出问题。3. 位段中的成员在内存中从左向右分配还是从右向左分配标准尚未定义。4. 当⼀个结构包含两个位段第⼆个位段成员比较大无法容纳于第⼀个位段剩余的位时是舍弃剩余的位还是利用这是不确定的。总结 跟结构相比位段可以达到同样的效果并且可以很好的节省空间但是有跨平台的问题存在。注意取值范围位段所能表示的数值范围由其占用的位数决定。例如占 2 位的位段其取值范围是 0 到 3即 (2^2 - 1)占 3 位的位段取值范围是 0 到 7即 (2^3 - 1)依此类推。内存对齐位段的内存分配与结构体的内存对齐规则有关。在某些情形下为了保证访问效率编译器也许会在成员间插入填充位。类型限制位段成员的类型通常是unsigned int、signed int或者boolC99 引入。虽然部分编译器也支持char类型的位段但最好使用int类型以保证可移植性。四、位段的应用下图是网络协议中IP数据报的格式我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述这里使用位段能够实现想要的效果也节省了空间这样网络传输的数据报大小也会较小⼀些对网络的畅通是有帮助的。五、位段使用的注意事项位段的几个成员共有同一个字节这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配一个地址一个字节内部的bit位是没有地址的。 所以不能对位段的成员使用取地址操作符这样就不能使用scanf直接给位段的成员输人值只能是先输入放在一个变量中然后赋值给位段的成员。如代码:struct A { int _a : 2; int _b : 5; int _c : 10; int _d : 30; }; int main() { struct A sa { 0 }; scanf(%d, sa._b);//这是错误的 //正确的⽰范 int b 0; scanf(%d, b); sa._b b; return 0; }