C语言基础：位域

Posted 2022-01-09 CodeJiao

1. 位域

如果程序的结构中包含多个开关量，只有 TRUE/FALSE 变量，如下：

struct

  unsigned int widthValidated;
  unsigned int heightValidated;
 status;

这种结构需要 8 字节的内存空间，但在实际上，在每个变量中，我们只存储 0 或 1。在这种情况下，C 语言提供了一种更好的利用内存空间的方式。如果您在结构内使用这样的变量，您可以定义变量的宽度来告诉编译器，您将只使用这些字节。例如，上面的结构可以重写成：

struct

  unsigned int widthValidated : 1;
  unsigned int heightValidated : 1;
 status;

现在，上面的结构中，status 变量将占用 4 个字节的内存空间，但是只有 2 （1+1）位被用来存储值。如果您用了 32 个变量，每一个变量宽度为 1 位，那么 status 结构将使用 4 个字节，但只要您再多用一个变量，如果使用了 33 个变量，那么它将分配内存的下一段来存储第 33 个变量，这个时候就开始使用 8 个字节。让我们看看下面的实例来理解这个概念：

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

/* 定义简单的结构 */
struct 
	unsigned int widthValidated;
	unsigned int heightValidated;
 status1;

/* 定义位域结构 */
struct 
	unsigned int widthValidated : 1;
	unsigned int heightValidated : 1;
 status2;

int main( ) 
	printf( "Memory size occupied by status1 : %d\\n", sizeof(status1));
	printf( "Memory size occupied by status2 : %d\\n", sizeof(status2));

	return 0;

运行结果：

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1.1 位域声明

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 1 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。

典型的实例：

• 用 1 位二进位存放一个开关量时，只有 0 和 1 两种状态。
• 读取外部文件格式：可以读取非标准的文件格式。例如：9 位的整数。

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：

type [member_name] : width ;

元素	描述
type	只能为 int(整型)，unsigned int(无符号整型)，signed int(有符号整型) 三种类型，决定了如何解释位域的值。
member_name	位域的名称。
width	位域中位的数量。宽度必须小于或等于指定类型的位宽度。

带有预定义宽度的变量被称为位域。位域可以存储多于 1 位的数，例如，需要一个变量来存储从 0 到 7 的值，您可以定义一个宽度为 3 位的位域，如下：

struct

  unsigned int age : 3;
 Age;

上面的结构定义指示 C 编译器，age 变量将只使用 3 位来存储这个值，如果您试图使用超过 3 位，则无法完成。

struct bs
    int a:8;
    int b:2;
    int c:6;
data;

data 为 bs 变量，大小为4字节，其中有两个字节用于存储值。其中位域 a 占 8 位，位域 b 占 2 位，位域 c 占 6 位。

示例代码：

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

struct 
	unsigned int age : 3;
 Age;

int main( ) 
	Age.age = 4;
	printf( "Sizeof( Age ) : %d\\n", sizeof(Age) );
	printf( "Age.age : %d\\n", Age.age );

	Age.age = 7;
	printf( "Age.age : %d\\n", Age.age );

	Age.age = 8; // 二进制表示为 1000 有四位，超出
	printf( "Age.age : %d\\n", Age.age );

	return 0;

运行结果：

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1.2 对位域的说明

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1.2.1 说明1

一个位域存储在同一个字节中，如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，则会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  :4;    /* 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。

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1.2.2 说明2

位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度，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。

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1.2.3 说明3

位域可以是无名位域，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。

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1.3 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
位域变量名->位域名

位域允许用各种格式输出。

示例代码：

#include <stdio.h>

int main() 
	struct bs 
		unsigned a:1;
		unsigned b:3;
		unsigned c:4;
	 bit,*pbit;
	
	/* 给位域赋值（应注意赋值不能超过该位域的允许范围） */
	bit.a=1;
	bit.b=7;
	bit.c=15;
	
	/* 以整型量格式输出三个域的内容 */
	printf("%d,%d,%d\\n",bit.a,bit.b,bit.c);
	
	/* 把位域变量 bit 的地址送给指针变量 pbit */
	pbit=&bit;
	
	/* 用指针方式给位域 a 重新赋值，赋为 0 */
	pbit->a=0;
	
	/* 使用了复合的位运算符 "&="，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） */
	pbit->b&=3;
	
	/* 使用了复合位运算符"|="，相当于：pbit->c=pbit->c|1，其结果为 15 */
	pbit->c|=1;
	
	/* 用指针方式输出了这三个域的值 */
	printf("%d,%d,%d\\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);

运行结果：

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。

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