C语言 - 位域(位域)详解

Posted 2022-08-12 最是人间第七味

      昨天偶然遇到有人问起如下的题目：

struct 
  int a:1;
  int b:2;
  int c:3;
  test;
 
 test.b = 2;
 Q:test的内存里，16进制为多少

     因为很久没有写过位结构体的缘故，知识点有些生疏，仅能想起test内的成员a、b、c会将一个byte按标记位划分，回答得不好(看错位回答了0x2)，让我们再复盘一下(以小端存储为例):

让我们画出test的2进制位
0 0 0 0 0 0 0 0 
    c c c b b a
给b成员赋值为2后
0 0 0 0 0 1 0 0
答案显而易见应该为0x4!!

       温故知新，下面将会详细梳理下位域的诞生及存储法则，存储法则是理解位域的重点！

一.位域产生的原因

     有些数据在存储时并不需要占用一个完整的字节，只需要占用一个或几个二进制位即可。例如开关只有通电和断电两种状态，用 0 和 1 表示足以，也就是用一个二进位。正是基于这种考虑，C语言又提供了一种叫做位域的数据结构。所谓"位域"是把一个字节中的二进制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。

      定义形式

struct 位域结构名 

  位域列表
;
type [member_name] : width;

type:C语言标准还规定，只有有限的几种数据类型可以用于位域。在 ANSI C 中，这几种数据类型是 int、signed int 和 unsigned int(int 默认就是signed int)，到了 C99，_Bool 也被支持了，说到这里大家可能有疑问，在彭平时的学习开发中，肯定见过char、signed char、unsigned char以及enum类型的位域域名，但编译器在具体实现时都进行了扩展，额外支持了 char、signed char、unsigned char 以及 enum 类型，所以上面的代码虽然不符合C语言标准，但它依然能够被编译器支持

width:C语言标准规定，位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度。通俗地讲，成员变量都是有类型的，这个类型限制了成员变量的最大长度

二.位域存储法则

C语言标准并没有规定位域的具体存储方式，不同的编译器有不同的实现，但它们都尽量压缩存储空间

1.法则一

当相邻成员的类型相同时，如果它们的位宽之和小于struct类型的bit大小，那么后面的成员紧邻前一个成员存储，直到不能容纳为止；如果它们的位宽之和大于类型的bit大小，那么后面的成员将从新的存储单元开始，其偏移量为类型大小的整数倍

#include <stdio.h>

int main()
    struct 
        unsigned m : 6;
        unsigned n : 12;
        unsigned p : 4;
     bs;
    printf("%d\\n", sizeof(bs));

    return 0;

     m、n、p 的类型都是 unsigned int，在32位/64位系统上，int都是4byte，因此运行结构都是4，即bs大小为32bit，而位宽之和为22，小于32，所以在内存中它们会紧挨着存储。

sizeof(struct bs) 的大小之所以为 4，而不是 3，是因为要将内存对齐到 4 个字节，以便提高存取效率(空间换时间)

      假设将域名m的位宽设置为22，猜猜结构体的大小为变为多少？

     编写运行程序后，发现大小变为8！

     再给它写入数据看看会变成多少:

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

int main()
    union 
        struct 
            uint32_t m : 22;
            uint32_t n : 12;
            uint32_t p : 4;
         bs;
        
        uint64_t d;
     my_union;
    
    uint64_t *p = (uint64_t *)&my_union;
    
    memset(&my_union, 0x00, sizeof(my_union));
    printf("sizeof my_union.bs:%d,my_union:%d\\n", sizeof(my_union.bs), sizeof(my_union));
    printf("sizeof p:%d\\n", sizeof(p));
    
    my_union.bs.m = 0x111;
    my_union.bs.n = 0x22;
    printf("my_union.d:0x%lx\\n", my_union.d); // 64bit需要加l!

    return 0;

2.法则二

    当相邻成员的类型不同时，不同的编译器有不同的实现方案，GCC 会压缩存储，而 VC/VS 不会。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

int main()
    union 
        struct 
            uint32_t m : 22;
            uint8_t n:7;
            uint32_t p : 4;
         bs;
        
        uint64_t d;
     my_union;
    
    uint64_t *p = (uint64_t *)&my_union;
    
    memset(&my_union, 0x00, sizeof(my_union));
    printf("sizeof my_union.bs:%d,my_union:%d\\n", sizeof(my_union.bs), sizeof(my_union));
    printf("sizeof p:%d\\n", sizeof(p));
    
    my_union.d = 0xf11223344;
    printf("my_union.bs.m:0x%x\\n", my_union.bs.m);
    printf("my_union.bs.n:0x%x\\n", my_union.bs.n);
    printf("my_union.bs.p:0x%x\\n", my_union.bs.p);

    return 0;

3.法则三

    如果成员之间穿插着非位域成员，那么不会进行压缩，每个编译器下均为12Byte

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

int main()

  union 
      struct 
          uint32_t m : 22;
          uint32_t n;
          uint32_t p : 4;
       bs;
      
    uint64_t d;
   my_union;
  
  uint64_t *p = (uint64_t *)&my_union;
  
  memset(&my_union, 0x00, sizeof(my_union));
  printf("sizeof my_union.bs:%d,my_union:%d\\n", sizeof(my_union.bs), sizeof(my_union));
  printf("sizeof p:%d\\n", sizeof(p));

    return 0;

4.总结&备注

       通过上面的分析，我们发现位域成员往往不占用完整的字节，有时候也不处于字节的开头位置，因此使用​​&​​获取位域成员的地址是没有意义的，C语言也禁止这样做。地址是字节(Byte)的编号，而不是位(Bit)的编号。

三.无名位域

       位域成员可以没有名称，只给出数据类型和位宽:

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

int main()

    union 
        struct 
            uint32_t m : 22;
            uint32_t :7; // 7bit不使用，留白
            uint32_t p : 4;
         bs;
        
        uint64_t d;
     my_union;
    
    uint64_t *p = (uint64_t *)&my_union;
    
    memset(&my_union, 0x00, sizeof(my_union));
    printf("sizeof my_union.bs:%d,my_union:%d\\n", sizeof(my_union.bs), sizeof(my_union));
    printf("sizeof p:%d\\n", sizeof(p));

    return 0;

    无名位域一般用来作填充或者调整成员位置。因为没有名称，无名位域不能使用。上面的例子中，如果没有位宽为7的无名成员，m、n 将会挨着存储，sizeof(struct bs) 的结果为4；有了这7位作为填充，m、n 将分开存储，sizeof(struct bs) 的结果为8。