C语言 | 位域的使用详解

Posted 2022-09-06 嵌入式大杂烩

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位域的概念

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语言又提供了一种数据结构，叫做“位域”或“位段”。

位域是操控位的一种方法（操控位的另一种方法是使用按位运算符，按位运算符将在之后的笔记中做介绍）。

位域通过一个结构声明来建立：该结构声明为每个字段提供标签，并确定该字段的宽度。例如，下面的声明建立了个4个1位的字段：

struct 

   unsigned int autfd:1;
   unsigned int bldfc:1;
   unsigned int undin:1;
   unsigned int itals:1;
prnt;

根据该声明， prnt包含4个1位的字段。现在，可以通过普通的结构成员运算符(.)单独给这些字段赋值：

prnt.itals = 0:
prnt.undin = 1;

由于每个字段恰好为1位，所以只能为其赋值1或0。变量prnt被储存在int大小的内存单元中，但是在本例中只使用了其中的4位。

:后面的数字用来限定成员变量占用的位数。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，:后面的数字不能超过这个长度。

如上述结构中autfd、bldfc、undin、itals后面的数字不能超过unsigned int的位数，即在32bit环境中就是不能超过32。

位域的取值范围非常有限，数据稍微大些就会发生溢出，请看下面的例子：

#include <stdio.h>

struct pack

 unsigned a:2;  // 取值范围为：0~3
 unsigned b:4;   // 取值范围为：0~15
 unsigned c:6;   // 取值范围为：0~63
;

int main(void)

 struct pack pk1;
 struct pack pk2;
 
 // 给pk1各成员赋值并打印输出
 pk1.a = 1;
 pk1.b = 10;
 pk1.c = 50;
 printf("%d, %d, %d\\n", pk1.a, pk1.b, pk1.c);
 
 // 给pk2各成员赋值并打印输出
 pk2.a = 5;
 pk2.b = 20;
 pk2.c = 66;
 printf("%d, %d, %d\\n", pk2.a, pk2.b, pk2.c);

 return 0;

程序输出结果为：

pk1.a = 1, pk1.a = 10, pk1.c = 5
pk2.a = 1, pk2.b = 4, pk2.c = 2

显然，结构体变量pk1的各成员都没有超出限定的位数，能够正常输出。而结构体变量pk2的各成员超出了限定的位数，并发生了上溢（溢出中的一种），关于溢出的概念可查看往期笔记：【C语言笔记】整数溢出

C语言标准规定，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signed int和unsigned int；到了C99、C11新增了_Bool 的位字段。关于C语言的几套标准可查看往期笔记：【C语言笔记】什么是ANSI C标准？

位域的存储

位域的存储同样遵循结构体内存对齐的规则，关于结构体内存对齐的问题可查看往期笔记：【C语言笔记】结构体内存对齐问题

看一个例子：

#include <stdio.h>
struct pack

 unsigned a:2;  
 unsigned b:4;   
 unsigned c:6;   
;
int main(void)

 printf("sizeof(struct pack) = %d", sizeof(struct pack));
 return 0;

程序输出结果为：

sizeof(struct pack) = 4

这是因为，a、b、c成员所占的位长之和在一个存储单元（此处为unsigned类型所占的字节数）内，即4个字节内，所以struct pack类型的变量所占的字节长度为4个字节（实际a、b、c一共占用12bit,还有20bit空间为保留的空白）。

可能有人有疑问，此处a、b、c加起来一共才12bit，两个字节都不到，那么只需要，2个字节不就好了吗。这就是因为内存对齐搞的鬼，此处要将内存对齐到 4 个字节（unsigned类型所占的字节数），以便提高存取效率。

假如把该结构声明改为：

struct pack

 unsigned a:12;  
 unsigned b:24;   
 unsigned c:6;   
;

那么，输出结构应该为什么呢？

输出结果为：

sizeof(struct pack) = 8

因为此时a成员单独占一个内存单元（4字节），b、c成员紧挨着占下一个内存单元（4字节），所以结果为8字节，这也是因为内存对齐。a、b、c占用内存的示意图如：

其中，空白部分为保留的空白填充内存。这里的空白内存是系统自动留出的，同时，我们也可以自己留出填充内存。如无名位域就可以用来作填充：

struct pack

unsigned a:12;  
unsigned  :20;//该位域成员不能使用，用于填充
unsigned c:6;   
;

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 20 的无名成员，a、c 将会挨着存储，sizeof(struct pack) 的结果为 4；有了这 20 位作为填充，a、c将分开存储，sizeof(struct pack) 的结果为 8。

位域也是个很重要的知识点，如在DSP2803X的固件库的一些结构封装中普遍用到这样的写法：

这样子进行封装之后就可以很方便地操控某个寄存器的两个位，即设置某个GPIO口。

以上就是关于位域的一些笔记，如有错误，欢迎指出！