从Nginx源码中学习C语言位域的使用DaemonCoder

Posted 2021-04-11 DaemonCoder

位域长什么样

如果你阅读过nginx源码的话，可以发现大量的位域的使用。如 ngx_process_t 结构体，定义如下：

typedef struct {
    ngx_pid_t           pid;
    int                 status;
    ngx_socket_t        channel[2];

    ngx_spawn_proc_pt   proc;
    void               *data;
    char               *name;

    unsigned            respawn:1;
    unsigned            just_spawn:1;
    unsigned            detached:1;
    unsigned            exiting:1;
    unsigned            exited:1;
} ngx_process_t;

Nginx的 master 进程在管理所有的 worker 进程时，会用一个数组来记录每个 worker 进程的相关数据，数组的每一项都是一个上述 ngx_process_t 结构体的实体。如果你对Nginx不太熟悉也没有关系，我们不关心Nginx实现的细节，本文我们只关注位域的使用。

仔细观察上述结构体的定义可以看到，最后几个成员变量的定义有些特殊，变量名之后还有一个冒号和一个数字，这个数字指定了变量在存储时占用的位数，这就是我们本文要说的位域（又叫位段）。结构体中的成员变量可以指定位域，指定位域的几个相邻的字段，可以被压缩存储。

为什么要用位域

再回到上述的例子，用到位域的几个字段（respawn、just_spawn、detached、exiting、exited），取值都只有两种情况：0和1。以 exited 字段为例，1表示已经退出，0表示没有退出。我们平时在写程序时，也会经常遇到这种场景，值只有很少的几种情况，而我们通常会把每个字段定义为 int 类型，或者像上面例子中的 unsigned 类型，这样每个字段都需要4字节来存储，明明一位就可以搞定的地方却用了32位，这是一种没必要的浪费。

前面我们也提到了，结构体中指定位域的几个相邻的字段，可以压缩存储。上面 ngx_process_t 结构体最后5个字段可以被存储在一个 unsigned 类型所占的内存中，也就总共占了32位（也就是4字节，为什么不是5位而是32位呢？这里是出于内存对齐的考虑）。如果不用位域，最后几个字段总共占用 5*32=160 位，也就是20字节。内存占用的差距一目了然。

位域只能使用在特写的类型上

使用位域时需要注意，C语言标准中规定，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，到了 C99，_Bool 也被支持了。但是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。所以对char等类型指定位域的代码虽然不符合C语言标准，但它依然能够被编译器支持。

这个是一个使用位域的示例：

// 未使用位域
printf("%lu\n", sizeof(struct {
    unsigned a;
    unsigned b;
    unsigned c;
}));    // 输出12，三个unsigned类型的大小

// 使用位域，大小被压缩成一个unsigned类型的大小
printf("%lu\n", sizeof(struct {
    unsigned a:1;
    unsigned b:1;
    unsigned c:1;
}));    // 输出4，一个unsigned类型的大小

位域指定的位数，不能超过类型本身的大小

如我们给一个 unsigned int 类型指定位域为64时，会在编译时报错：

struct {
    unsigned a:64;
}
// error: width of bit-field 'a' (64 bits) exceeds width of its type (32 bits)

只有结构体中相邻的指定位域字段才可以被压缩存储

看下面的例子：

printf("%lu\n", sizeof(struct {
    unsigned a:16;
    unsigned b;
    unsigned c:16;
}));    // 输出：12

字段b没有用位域，所以a和c不能被压缩到一块存储，整体依旧是占用了12字节。

当共用的空间不足时，开启一个新的共用空间

看下面示例：

printf("%lu\n", sizeof(struct {
    unsigned a:16;
    unsigned b:1;
    unsigned c:16;
}));    // 输出：8

a、b、c 三个字段都是指定了位域，分别占用16位、1位、16位，前两个字段a和b会共用一个unsigned类型大小的空间，也就是32位，剩余32-16-1=15位空闲，字段c需要16位来存储，之前的剩余空间已经不足，所以会用一个新的unsigned大小来存储c，所以总共占用了两个unsigned大小，也就是8字节。

无名位域

使用位域时，可以用没有变量名的无名位域，示例如下：

printf("%lu\n", sizeof(struct {
    unsigned a:16;
    unsigned :14;
    unsigned b:1;
    unsigned c:16;
}));  // 输出：8

上前一个示例相同，只不过用一个无名位域填充了第一个unsigned最后空闲的14位，这样b和c就共用了一块空间。

位域还可以指定位数为0，但是此时只能使用无名位域。

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